一种用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法

摘要

本发明涉及一种探测方法，主要用于煤矿井下探测，具体涉及一种用于用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法。该方法对每一探测网格增加了测量数据，大幅度减弱巷道内环境因素带来的影响，提高了通过异常体的探测数据密度，并将瞬变场数据转换为了虚拟波场数据，消弱了电磁法的体积效应影响，同时，该方法采用地震的前沿精细处理技术，有利于地质异常的精细解释，能显著提高对矿井水害隐患的探查精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种探测方法，主要用于煤矿井下探测，具体涉及一种用于 煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法。

背景技术

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在 一次脉冲磁场的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

小线框瞬变电磁法是近年来广泛应用于煤矿井下超前探、顶底板水害探 测、侧帮及工作面内部水害探测等领域的一种电磁类勘探方法。但是目前， 现有技术中的该方法存在以下问题：

1、线框激发能量有限：由于井下施工空间限制，该方法不能采用地面 常规使用的大发射线框(一般边长大于100m)，往往使用的是边长小于2m 的多匝小回线，激发能量有限；

2、设备运行不稳定：单点垂直测线方向激发，同方向接收的探测方式 造成穿过异常体的测点数目很少，且受巷道内空间、金属物件、电力器件 等的影响，往往出现异常无法判断或者出现大量假异常等情况；

3、隐患探查精度低：资料处理目前主要靠移植地面瞬变电磁一维定性 处理技术，解释精度较低，对资料的精细解释不利，影响煤矿井下的水害 隐患探查精度，对矿井安全生产带来威胁。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的发射线框激发能量有限，设备运行 不稳定，隐患探查精度低等问题，提出了一种用于煤矿井下的瞬变电磁拟 地震探测方法，该方法对每一探测网格增加了测量数据，大幅度减弱巷道 内环境因素带来的影响，提高了通过异常体的探测数据密度，并将瞬变场 数据转换为了虚拟波场数据，消弱了电磁法的体积效应影响，同时，该方 法采用地震的前沿精细处理技术，有利于地质异常的精细解释，能显著提 高对矿井水害隐患的探查精度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法，包括：

步骤1，根据探测区域设计测线方向，在测线上按照一定点距布置测点， 并在每一测点上均布置接收装置；

步骤2，依次在每一个测点上布置发射线框并发射瞬变信号，并在其余 所有测点同时接收采集瞬变场信号；

步骤3，将步骤2中采集到的瞬变场信号转换为虚拟波动场信号，并对 转换后的虚拟波动场信号进行波形压缩；

步骤4，以步骤3中的虚拟波动场信号的传播时间为横坐标，以其波形 幅值为纵坐标，通过描点得到测线波形图；

步骤5，根据瞬变电磁定性算法处理步骤2中采集到的瞬变场信号，以 得到视电阻率分布，并将所述视电阻率分布作为步骤3中转换后的虚拟波 动场信号的初始速度场；

步骤6，在所述测线波形图上选取参考子波，并以步骤5中的初始速度 场为初始模型，采用波形反演技术对步骤3中的压缩后的虚拟波动场信号 进行二维或三维反演；

步骤7，对反演后得到的虚拟波场信号的速度数据进行网格化，绘制等 值线图并成像；

步骤8，依据成像结果分析，将速度值出现明显的低值分布的区域作为 地质异常体。

优化的，上述的一种用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法，所述 步骤3中基于以下公式将瞬变场所数据转换为波动数据：

$h_z\left(t\right)=\frac{K}{2\sqrt{\pi t^3}}{\int }_0^{\infty }\tau e^{-{\tau }^2/4t}U\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }$

式中h_z(t)为瞬变场数据，U(τ)为波动场数据，t为采样时间，τ为与t 对应的转换后的虚拟波场传播时间，K＝tⁿ为波形均衡因子，n为(0，2.5) 区间内的任意值。

优化的，上述的一种用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法，所述 步骤1中的点距为5米。

优化的，上述的一种用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法，其特 征在于，所述步骤1中的接收装置为探头或线圈。

因此，本发明具有如下优点：1、对每一探测网格增加了测量数据，可 大幅度减弱巷道内环境因素带来的影响；2、提高了通过异常体的探测数据 密度，并将瞬变场数据转换为了虚拟波场数据，消弱了电磁法的体积效应 影响；3、采用地震的前沿精细处理技术，有利于地质异常的精细解释，能 显著提高对矿井水害隐患的探查精度。

附图说明

图1为传统煤矿井下瞬变电磁探测方法示意图。

图2为煤矿井下瞬变电磁拟地震探测方法示意图。

图3为直接转换得到的波场数据。

图4为经过反褶积压缩后的锐化波形。

图5为瞬变电磁实测衰减曲线图。

图6经过本发明方法得到的虚拟波场数据。

图7是常规瞬变电磁方法处理得到视电阻率剖面。

图8是对图7进行精细反演得到的虚拟波场速度剖面。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说 明。图中，煤层1，煤板岩层2，巷道空间3，发射线框4，地质异常体5， 探测射线6，接收点7。

实施例：

图1是传统煤矿井下瞬变电磁探测方法示意图。传统的瞬变电磁探测 方法采用单点垂直测线方向激发，同方向接收的探测方式造成穿过异常体 的测点数目很少。

图2所示是改进的用于煤矿井下的瞬变电磁拟地震探测方法。从图中 可以看出该方法对每一探测网格增加了测量数据，提高了通过异常体的探 测数据密度，并将瞬变场数据转换为了虚拟波场数据，消弱了电磁法的体 积效应影响。

本实施例通过以下步骤实现：

(1)、根据探测区域设计测线方向，在测线上按照一定点距(如5m) 布置测点；

(2)、在每一测点上均布置接收装置(探头、线圈均可)；

(3)、在每一个测点上依次布置发射线框并发射瞬变信号，其余所有 测点同时接收采集；

(4)、将数据从仪器导入电脑；

(5)、根据以下公式将采集到的瞬变场信号转换为虚拟波动场信号， 并对转换后的虚拟波动场信号进行波形压缩；

$h_z\left(t\right)=\frac{K}{2\sqrt{\pi t^3}}{\int }_0^{\infty }\tau e^{-{\tau }^2/4t}U\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }$

式中h_z(t)为瞬变场数据，U(τ)为波动场数据，t为采样时间，τ为与t 对应的转换后的虚拟波场传播时间，K＝tⁿ为波形均衡因子，n为(0，2.5) 区间内的任意值。

由于采集到的信号为瞬变场信号，通过公式可转换为虚拟波动场信号， 瞬变场为扩散场，该转换相当于将扩散场中的波动特征提取了出来。

公式中的波形均衡因子K可以对瞬变场转换过来的波形做均衡，直接 转换会出现早期的波形能看见，晚期的波形幅值太小看不见，通过调整K 可以压制前期的波形幅值，抬升晚期的波形幅值，使前后波形差异缩小， 有利于深部信息的反演成像。n取0-2.5与瞬变电磁法的基本公式有关，是 根据下面公式分母上t的幂指数确定：

$V=\frac{{{\mu }_0}^{5/2}·M·q}{5{\left(4\pi \right)}^{-3/2}{\rho }^{3/2}{t}^{5/2}}$

式中：μ0—磁导率；

M—发送线圈磁矩；

q—接收线圈等效面积；

ρ—地层电阻率；

t—时间；

V—瞬变电磁二次场信号。

(6)、对转换后的波场数据进行波形压缩；直接转换得到的波场数据 中波的特征不明显，不同时间的波峰波谷混在一起，如图3所示，经过反 褶积压缩后能提取出锐化波形，如图4所示。这一压缩有利于提高反演的 分辨率。

(7)、根据瞬变电磁定性算法给出视电阻率分布作为初始速度场；

(8)、以虚拟波动场信号的传播时间为横坐标，以其波形幅值为纵坐 标，通过描点得到测线波形图，在测线波形图上选取参考子波；

(9)、采用波形匹配反演技术对数据进行二维或三维反演；

(10)、对反演后得到的虚拟波场速度数据进行网格化，绘制等值线图 成像；

(11)、依据成像结果解释可能存在的地质异常体。

采用本实施例处理后的图形如图5-8所示。图5为瞬变电磁实测衰减 曲线图，经过本发明处理后，可以得到如图6所示的虚拟波场数据。图7 是常规瞬变电磁方法处理得到视电阻率剖面(探测目标为钻孔，图中圆点 所示)。对图7进行精细反演可以得到图8所示的虚拟波场速度剖面(探测 目标为钻孔，图中圆点所示)。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明 所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或 补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权 利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了煤层1，煤板岩层2，巷道空间3，发射线框4， 地质异常体5，探测射线6，接收点7术语，但并不排除使用其它术语的可 能性。使用这些术语，是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们 解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。