瞬變電磁儀和礦井水文地質(zhì)勘探方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種瞬變電磁儀和礦井水文地質(zhì)勘探方法。該瞬變電磁儀的接收端子采用矢量磁力計結(jié)構(gòu)，該矢量磁力計包括三軸磁通門傳感器，該三軸磁通門傳感器的X、Y、Z三個方向均采用微型線圈作為敏感單元，用于檢測包含地質(zhì)磁場變化信息的磁場信號。瞬變電磁儀采用了三軸磁通門傳感器，且其內(nèi)部X、Y、Z三個方向都有微型線圈作為敏感單元，可實(shí)現(xiàn)對微弱信號的高靈敏度檢測，能夠有效減少近距離探測的盲區(qū)，提升了探測的準(zhǔn)確度。
【專利說明】瞬變電磁儀和礦井水文地質(zhì)勘探方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及瞬變電磁探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及瞬變電磁儀和礦井水文地質(zhì)勘探方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國的主要能源，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比重超過70%，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位。我國煤礦開采深度平均每年增加20m以上，隨著開采深度和開采強(qiáng)度的不斷增加，煤礦安全問題開始顯現(xiàn)，特別是近幾年，煤礦突水的危害日趨嚴(yán)重?！笆晃濉逼陂g全國煤礦水害事故分析報告中指出:2006?2010年全國煤礦水害發(fā)生10339起，死亡人數(shù)16811人，其中較大(死亡3人以上)以上水害事故140起，死亡人數(shù)1083人?！睹旱V安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃》中明確指出:我國煤礦災(zāi)害日趨嚴(yán)重，急需進(jìn)一步完善災(zāi)害監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警與防治技術(shù)體系，加大煤礦安全科技攻關(guān)，推廣使用先進(jìn)適用技術(shù)與裝備，提高技術(shù)裝備的安全保障能力。其早期探測預(yù)警技術(shù)及裝備是煤礦水害防治的關(guān)鍵。
[0003]目前，國內(nèi)外對煤礦水害的監(jiān)測手段主要有鉆探、TSP (Tunnel SeismicPrediction，隧道地震預(yù)報)探測技術(shù)、探地雷達(dá)法、直流電法、瞬變電磁法等。其中，瞬變電磁法憑借體積效應(yīng)小、方向性強(qiáng)、分辨率高、對低阻區(qū)敏感、設(shè)備輕便等一些優(yōu)點(diǎn)，已成為煤礦水害探測的最佳選擇方法。礦井瞬變電磁超前探測可以高效準(zhǔn)確地探測巷道迎頭前方富水狀態(tài)，可以提高煤礦生產(chǎn)效率、縮短巷道掘進(jìn)所花費(fèi)的時間，節(jié)約成本，特別是可以在狹小的巷道迎頭空間中，工作和數(shù)據(jù)采集效率高，不影響煤礦巷道的正常掘進(jìn)，是其它方法所不具備的。
[0004]但是，目前的瞬變電磁法存在近距離探測盲區(qū)，其主要原因是目前瞬變電磁儀的接收端子通常采用ImX Im的接收線圈，導(dǎo)致接收端子與發(fā)射端子之間的互感比較大，從而淺部地層結(jié)構(gòu)反射回的早期信號中所摻雜的一次場互感信號的影響較大，降低了探測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供瞬變電磁儀和礦井水文地質(zhì)勘探方法，以解決上述瞬變電磁法存在近距離探測盲區(qū)的問題。
[0006]在本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種瞬變電磁儀，該瞬變電磁儀的接收端子采用矢量磁力計結(jié)構(gòu)，該矢量磁力計包括三軸磁通門傳感器，該三軸磁通門傳感器的X、Y、Z三個方向均采用微型線圈作為敏感單元，用于檢測包含地質(zhì)磁場變化信息的磁場信號。
[0007]在本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種礦井水文地質(zhì)勘探方法，該方法采用上述瞬變電磁儀進(jìn)行勘探。
[0008]本發(fā)明實(shí)施例提供的瞬變電磁儀采用了三軸磁通門傳感器，且其內(nèi)部X、Y、Z三個方向都有微型線圈作為敏感單元，可實(shí)現(xiàn)對微弱信號的高靈敏度檢測，能夠有效減少近距離探測的盲區(qū)，提升了探測的準(zhǔn)確度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0009]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例的矢量磁力計的平面陣列示意圖；
[0010]圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例的矢量磁力計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的瞬變電磁儀的接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例的瞬變電磁儀的接收系統(tǒng)電路原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過具體的實(shí)施例子并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0014]考慮到目前的瞬變電磁法存在近距離探測盲區(qū)的問題，本實(shí)施例提供了一種瞬變電磁儀，該瞬變電磁儀的接收端子采用矢量磁力計結(jié)構(gòu)，該矢量磁力計包括三軸磁通門傳感器(也可以稱為三軸磁通門探頭)，該三軸磁通門傳感器的X、Y、Z三個方向均采用微型線圈作為敏感單元，用于檢測包含地質(zhì)磁場變化信息的磁場信號。
[0015]本實(shí)施例的瞬變電磁儀采用了三軸磁通門傳感器，且其內(nèi)部X、Y、Z三個方向都有微型線圈作為敏感單元，可實(shí)現(xiàn)對微弱信號的高靈敏度檢測，相比于ImXlm的接收線圈，本實(shí)施例的接收端子可有效減小發(fā)射端子與接收端子之間存在的互感，從而減少淺部地層結(jié)構(gòu)反射回的早期信號中所攙雜的一次場互感信號的影響，使瞬變電磁儀的接收端可以接收到更多純凈的早期信號，能夠有效減少近距離探測的盲區(qū)，提升了探測的準(zhǔn)確度。
[0016]為了增大瞬變電磁儀的有效探測距離，上述接收端子由5個相同的矢量磁力計以平面陣列的形式組成；具體地，上述接收端子可以采用5個矢量磁力計在平行于發(fā)射線圈的平面上組成平面陣列的方式實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，本實(shí)施例的瞬變電磁儀的接收機(jī)可以包括:多路同步采集模塊，用于同步采集5個相同的矢量磁力計檢測的磁場信號。
[0017]具體實(shí)現(xiàn)時，可以將帶有5個矢量磁力計的接收端子連接到接收機(jī)的多路同步采集系統(tǒng)(即上述多路同步采集模塊)上，多路同步采集系統(tǒng)的同步信號通過導(dǎo)線同步方式連接至瞬變電磁儀的發(fā)射機(jī)，根據(jù)瞬變電磁儀的發(fā)射機(jī)提供的同步信號，該多路同步采集系統(tǒng)同步采集瞬變電磁響應(yīng)信號。因?yàn)樯鲜鍪噶看帕τ嬀哂懈哽`敏度，可以實(shí)現(xiàn)對IOnT微弱電磁波信號的有效接收，相對ImX Im線圈，該矢量磁力計的接收靈敏度得到了很大提高，從而可以實(shí)現(xiàn)對深部地層中反射回的電磁波信號進(jìn)行接收，有效的提高了瞬變電磁儀的探測深度。
[0018]上述矢量磁力計的平面陣列的結(jié)構(gòu)可以為:4個矢量磁力計分別設(shè)置在四方形(例如0.8mX0.8m的正方形)的四個角上，I個矢量磁力計設(shè)置在四方形的中央位置上；各個矢量磁力計均由支架支撐。如圖1所示的矢量磁力計的平面陣列示意圖，其中，矢量磁力計11位于矢量磁力計12、矢量磁力計13、矢量磁力計14和矢量磁力計15圍成的四方形的中央，支架16將各個矢量磁力計連接并支撐在固定的位置。
[0019]上述支架的材料可以為PVC塑料(聚氯乙烯的簡稱，英文名稱為Poly VinylChloride)，為了固定好各個矢量磁力計，每個矢量磁力計設(shè)置于支架的卡槽內(nèi)，該卡槽是根據(jù)各個矢量磁力計的安置位置進(jìn)行設(shè)置的，同時，該卡槽設(shè)置有固定矢量磁力計的開關(guān)。優(yōu)選地，該支架設(shè)置在瞬變電磁儀的發(fā)射線圈中央，并與發(fā)射線圈處于同一個平面。
[0020]放好矢量磁力計之后，可以將支架和瞬變電磁儀的發(fā)射線圈平行于掌子面布置，該支架位于發(fā)射線圈中央并與發(fā)射線圈處于同一平面，并位于距離掌子面半米的距離進(jìn)行探測。發(fā)射線圈和接收端子分別連接到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，瞬變電磁儀的發(fā)射機(jī)和多路同步采集系統(tǒng)之間采用同步電纜相連接。矢量磁力計采用陣列的方式可以使接收端子接收到更加全面的信息，同時矢量磁力計具有高靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)對IOnT微弱電磁波信號的有效接收，所以本實(shí)施例的設(shè)計可以接收到更加全面的微弱電磁信號，可以有效的增加探測的深度。
[0021]為了進(jìn)一步提升探測的準(zhǔn)確度，本實(shí)施例的上述接收端子中的矢量磁力計外殼進(jìn)行了抗干擾設(shè)計，在外殼上增加屏蔽線圈，有效降低工頻干擾以及其它電磁干擾，提高信號的信噪比，提供采集數(shù)據(jù)質(zhì)量，為精確探測打好基礎(chǔ)。同時瞬變電磁儀接收機(jī)可同時采集16路信號，最高采樣率為lMsps，探測有效信號動態(tài)范圍達(dá)153dB，并且具有良好的信噪比和諧波失真特性。如圖2所示的矢量磁力計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，該矢量磁力計包括外殼21和內(nèi)殼24 ;三軸磁通門傳感器22設(shè)置于內(nèi)殼24內(nèi)，且其微型線圈纏繞在鐵氧體磁芯上；外殼21與內(nèi)殼24之間設(shè)置有屏蔽線圈23。
[0022]其中，上述外殼的尺寸可以為30mm X 20mm X 20mm ;內(nèi)殼的尺寸可以為25mmX 15mmX 15mm。三軸磁通門傳感器22是利用MEMS技術(shù)加工而成的，三軸磁通門傳感器22封裝有小型接收線圈和鐵氧體磁芯，在鐵氧體芯X、Y、Z三個方向上分別有一個MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))工藝加工的微型線圈，根據(jù)磁通門傳感器原理，可以接收包含地磁場變化信息的磁場信號，從而實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向的矢量探測，采用鐵氧體磁芯可以有效的增強(qiáng)X、Y、Z三個方向微型線圈接收到磁場信號的強(qiáng)度，三個方向接收的磁場信號傳輸?shù)蕉嗦吠讲杉到y(tǒng)進(jìn)行處理，屏蔽線圈23為沿著X、Y、X方向與信號接收線圈的方向相同，可以有效屏蔽其他方向的感應(yīng)信號，減少干擾信號的影響。
[0023]如圖3所示的瞬變電磁儀的接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，該接收系統(tǒng)包括:接收端子31和接收機(jī)34，該接收端子31包括由磁芯外繞線圈32和感應(yīng)線圈33組成。其中，磁芯外繞線圈32相當(dāng)于屏蔽線圈，感應(yīng)線圈33是繞在磁芯上的線圈，起到感應(yīng)信號的作用。
[0024]接收機(jī)34由多路同步采集模塊35、控制模塊36、處理模塊37和供電模塊38組成。各個模塊的簡單說明如下:
[0025]多路同步采集模塊35主要是實(shí)現(xiàn)對5路采集信號的同步采集，通過RC抗混疊濾波處理防止5路信號產(chǎn)生疊加混亂；
[0026]控制模塊36用于從多路同步采集模塊35采集的磁場信號中提取反映待測磁場的幅值最大的二次諧波，并將二次諧波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；其由放大電路、鑒相電路、低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，具體任務(wù)是提取采集的有效信號中可反映待測磁場的幅值最大的二次諧波并對其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)將輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；其中，放大電路是將多路同步采集模塊采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大；鑒相電路主要是實(shí)現(xiàn)對Χ、Υ、Ζ三方向信號的辨別處理；低通濾波電路主要是將采集的信號中摻雜的部分同極性電磁干擾信號進(jìn)行濾波處理；A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；
[0027]處理模塊37用于讀取并存儲控制模塊輸出的數(shù)字信號，并根據(jù)用戶指令處理數(shù)字信號，其主要由高速ARM芯片及其外圍電路組成，其任務(wù)是對各個模塊進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高速讀取、數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示和上傳數(shù)據(jù)給上位機(jī)等；
[0028]供電模塊38用于為瞬變電磁儀供電，主要包括電池，其持續(xù)供電能力可以達(dá)到8個小時，從而保障探測工作的順利完成。
[0029]本實(shí)施例還提供了圖4所示的瞬變電磁儀的接收系統(tǒng)電路原理示意圖，其中包括:探頭、放大電路、鑒相電路，濾波輸出電路、反饋電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)源、晶體振蕩電路、分頻電路、激勵電路等，該接收系統(tǒng)電路的工作原理如下:
[0030]晶體振蕩電路產(chǎn)生幾MHZ的方波信號，經(jīng)分頻電路分頻后再經(jīng)探頭激勵驅(qū)動電路，形成幾KHZ的激勵信號。探頭在交變信號的激勵下，根據(jù)磁通門傳感器原理，產(chǎn)生輸出包含地磁場變化信息的激勵信號的二次諧波。該二次諧波經(jīng)放大電路放大后，在鑒相電路處與晶振振蕩的分頻信號鑒相，經(jīng)濾波輸出電路進(jìn)行濾波處理，形成正比于對應(yīng)磁場方向的準(zhǔn)直流電壓信號，輸入至A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的直流電壓信號。該直流電壓信號經(jīng)反饋電路反饋至探頭的感應(yīng)線圈，產(chǎn)生與外磁場相反的磁場，構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，使探頭工作在零磁場附近。瞬變電磁儀(例如:如其內(nèi)部的CPU)首先讀取地磁場的X和Z分量總量值之后，計算D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生于地磁場大小最接近的補(bǔ)償電路，經(jīng)反饋電路作用于探頭,形成X和Z方向的補(bǔ)償磁場，以抵消這兩個方向的絕大部分自然磁場。這樣，磁場變化量可以處在模數(shù)轉(zhuǎn)換的有效動態(tài)范圍之內(nèi)，進(jìn)而提高了測量靈敏度和分辨力。
[0031]本實(shí)施例的瞬變電磁儀的接收系統(tǒng)的接收端子采用MEMS加工工藝設(shè)計的矢量磁力計組成平面陣列，數(shù)據(jù)采集使用高速16位ADC，處理器采用高速的ARM處理器，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間使用同步電纜控制信號的同步性，可以減小瞬變電磁探測存在的探測盲區(qū)，增加探測的深度，減小干擾信號的影響，提高探測結(jié)果的可靠度。[0032]本實(shí)施例還提供了一種礦井水文地質(zhì)勘探方法，該方法采用上述瞬變電磁儀進(jìn)行勘探。具體地，采用上述瞬變電磁儀應(yīng)用時間域瞬變電磁法(TEM)進(jìn)行探測時，在層狀大地介質(zhì)中，半徑為a和b的同心圓型線圈瞬變電磁互阻抗Z (t)計算公式為:
[0033]Z{t)=-U^tab^ L,![i(ρ)ρΑ()(Ρ, ρ,λ)].Ji(Aa)J2(Ab)Cl/.0
[0034]式中，Atl(P，ρ，λ)為層狀結(jié)構(gòu)大地阻抗函數(shù)，P為厚度與其電阻率的乘積，P為與_j?對應(yīng)的拉普拉斯算子，ω為角頻率，λ為漢克爾逆變換的積變量，I (ρ)為歸一化的
電流波形拉普拉斯變換，為關(guān)于P的拉普拉斯逆變換，J為貝賽爾函數(shù)。因?yàn)槲⑿偷慕邮站€圈尺寸較小，所以瞬變電磁互阻抗Z (t)會非常小，瞬變電磁儀探測回的早期信號中會攙雜著一次場互感信號的影響，本發(fā)明設(shè)計的接收端子可以有效減小互感信號的影響，使儀器可以接收到更多純凈的早期信號，對減小探測結(jié)果存在的盲區(qū)具有重大作用。
[0035]以上實(shí)施例中的瞬變電磁儀具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0036](I)探測靈敏度高:采用高靈敏度的矢量磁力計，最小可實(shí)現(xiàn)對IOnT微弱電磁信號的接收，從而使采集信號強(qiáng)度范圍變的更廣，探測的靈敏度相應(yīng)得到提高，有利于提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確度。
[0037](2)抗干擾性能好:接收端子外殼進(jìn)行了屏蔽設(shè)計，有效的降低了工頻干擾以及其它電磁干擾，提高信號信噪比，同時利用矢量磁力計的方向性，在后期的數(shù)據(jù)處理中將探測后方反射回的電磁波數(shù)據(jù)信號進(jìn)行剔除處理，從而使接收系統(tǒng)的抗干擾性能得到有效的提聞，有利于提聞探測結(jié)果的準(zhǔn)確度。
[0038](3)采樣頻率較高:上述接收系統(tǒng)可同時采集16路信號，最高采樣率為lMsps，探測有效信號動態(tài)范圍達(dá)153dB，并且具有良好的信噪比和諧波失真特性，從而使采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，有利于提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確度。
[0039]將上述瞬變電磁儀用于超前探測技術(shù)中，可以實(shí)現(xiàn)對煤礦井下微弱電磁信號的高靈敏度接收，有效避免接收端子與發(fā)射線圈之間的互感，并降低井下復(fù)雜環(huán)境對探測結(jié)果的干擾，能夠?qū)γ旱V水害進(jìn)行準(zhǔn)確超前探測，對煤礦安全生產(chǎn)的預(yù)報預(yù)警具有重要作用。
[0040]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執(zhí)行，或者將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬變電磁儀，其特征在于，所述瞬變電磁儀的接收端子采用矢量磁力計結(jié)構(gòu)，所述矢量磁力計包括三軸磁通門傳感器，所述三軸磁通門傳感器的X、Y、Z三個方向均采用微型線圈作為敏感單元，用于檢測包含地質(zhì)磁場變化信息的磁場信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述接收端子由5個相同的矢量磁力計以平面陣列的形式組成； 所述瞬變電磁儀的接收機(jī)包括:多路同步采集模塊，用于同步采集所述5個相同的矢量磁力計檢測的磁場信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述矢量磁力計的平面陣列的結(jié)構(gòu)為:4個矢量磁力計分別設(shè)置在四方形的四個角上，I個矢量磁力計設(shè)置在所述四方形的中央位置上；各個矢量磁力計均由支架支撐。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述支架的材料為聚氯乙烯PVC塑料，每個所述矢量磁力計設(shè)置于所述支架的卡槽內(nèi)，所述卡槽設(shè)置有固定所述矢量磁力計的開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述支架設(shè)置在所述瞬變電磁儀的發(fā)射線圈中央，并與所述發(fā)射線圈處于同一個平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述接收機(jī)還包括: 控制模塊，用于從所述多路同步采集模塊采集的磁場信號中提取反映待測磁場的幅值最大的二次諧波，并將所述二次諧波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 處理模塊，用于讀取并存儲所述控制模塊輸出的所述數(shù)字信號，并根據(jù)用戶指令處理所述數(shù)字信號； 供電模塊，用于為所述瞬變電磁儀供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述控制模塊由依次相連的放大電路、鑒相電路、低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述矢量磁力計包括外殼和內(nèi)殼；所述三軸磁通門傳感器設(shè)置于所述內(nèi)殼內(nèi)，且所述微型線圈纏繞在鐵氧體磁芯上；所述外殼與所述內(nèi)殼之間設(shè)置有屏蔽線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的瞬變電磁儀，其特征在于，所述外殼的尺寸為30mmX20mmX20mm ;所述內(nèi)殼的尺寸為 25mmX 1 5mmX 15mm。
10.一種礦井水文地質(zhì)勘探方法，其特征在于，所述方法采用權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的瞬變電磁儀進(jìn)行勘探。
【文檔編號】G01V3/28GK103941298SQ201410150246
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】張文棟, 胡杰, 李國才, 桑勝波, 李朋偉, 李剛 申請人:太原理工大學(xué)