本發(fā)明屬于地球物理探測(cè)，具體涉及一種危害水體瞬變電磁探查裝置及探查方法。

背景技術(shù)：

1、煤礦水害是僅次于瓦斯的第二大災(zāi)害成因，在煤礦巷道掘進(jìn)前或開采過(guò)程中，水害事故的預(yù)防與治理，一直是煤礦安全生產(chǎn)工作的重要一環(huán)，在煤礦井下水害防治與超前探查工作中，孔中瞬變電磁方法是較為常用的一種方法，孔中瞬變電磁法以無(wú)損、快速、高效、探測(cè)半徑大等優(yōu)點(diǎn)得到了業(yè)界普遍的認(rèn)可。

2、在現(xiàn)有的鉆孔瞬變電磁探查中，一般采用一組與鉆孔同軸的回線作為發(fā)射線圈激發(fā)電磁場(chǎng)，用另一組與鉆孔同軸的回線或者三組兩兩垂直的回線接收信號(hào)，接收線圈在發(fā)射線圈斷電后開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)只采用一個(gè)方向的回線接收信號(hào)時(shí)，只能采集一個(gè)方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，為單分量測(cè)量，當(dāng)采用三組兩兩垂直的回線接收信號(hào)時(shí)，則完整反映了磁場(chǎng)的特征，為三分量測(cè)量。

3、單分量測(cè)量?jī)x器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)解釋處理流程較短的優(yōu)點(diǎn)，其缺陷在于：只能解釋異常體所在的鉆孔深度和距離鉆孔的徑向距離，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的空間定位，即無(wú)法確定異常體所在的方位；三分量?jī)x器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，測(cè)量分量多，其優(yōu)點(diǎn)是能完全刻畫磁場(chǎng)的空間形態(tài)，缺陷在于：由于發(fā)射線圈發(fā)射方向具有單一性，而兩兩垂直的三組接收線圈中，只有與發(fā)射線圈相同姿態(tài)的接收線圈才能采集到可靠信號(hào)(垂直分量)，作為判斷異常體方位的另外兩組分量(水平分量)，信號(hào)幅度較弱，因此信噪比較低，用水平分量來(lái)完成定位存在較大誤差。如通過(guò)多個(gè)鉆孔聯(lián)合實(shí)現(xiàn)鉆孔旁側(cè)異常體的定位，則會(huì)造成實(shí)際施工過(guò)程中工作量大增，探查效率降低，且現(xiàn)有探查裝置的孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)間距一般為3m～5m，一般要在連續(xù)的3～5個(gè)測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)到可靠的信號(hào)突變才能確認(rèn)為異常引起，即點(diǎn)測(cè)模式下，只有規(guī)模達(dá)到10m以上的異常體才能被探測(cè)到，這嚴(yán)重影響了孔內(nèi)瞬變電磁的分辨能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種危害水體瞬變電磁探查裝置及探查方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中瞬變電磁探查所用的三分量測(cè)量模式中水平分量測(cè)量困難且無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)異常三維空間定位的技術(shù)問(wèn)題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

3、一種危害水體瞬變電磁探查裝置，包括置于鉆孔內(nèi)的探管，所述探管內(nèi)沿軸向設(shè)置有探管同心軸，所述探管同心軸上設(shè)置有方向指向線圈，所述方向指向線圈外設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈，所述方向指向線圈中心與所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈中心位于同一幾何中心；所述方向指向線圈所在平面與所述探管同心軸的軸線位于同一平面內(nèi)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈所在平面與所述探管同心軸的軸線位于同一平面內(nèi)；當(dāng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈隨所述探管同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述方向指向線圈在自身重力作用下始終處于豎直狀態(tài)。

4、本發(fā)明還具有以下技術(shù)特征：

5、具體的，所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈固裝在所述探管同心軸上，所述方向指向線圈借助套設(shè)在探管同心軸上的安裝環(huán)與所述探管同心軸相連。

6、更進(jìn)一步的，所述方向指向線圈與所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈均為矩形線圈，且所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈的長(zhǎng)度大于所述方向指向線圈的長(zhǎng)度，所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈的寬度大于所述方向指向線圈的寬度。

7、更進(jìn)一步的，所述方向指向線圈與所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈均為圓形線圈，且所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈的直徑大于所述方向指向線圈的直徑。

8、更進(jìn)一步的，所述探管為無(wú)磁探管，且所述探管內(nèi)設(shè)置有用于布設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈的凹槽，所述凹槽表面涂覆絕緣層。

9、本發(fā)明還保護(hù)一種危害水體探查方法，該方法通過(guò)上述危害水體瞬變電磁探查裝置實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

10、步驟1、以設(shè)定的轉(zhuǎn)速向孔底推送探查裝置，至鉆孔底部推進(jìn)結(jié)束，在推送過(guò)程中，從設(shè)定的探查起始點(diǎn)開始，每推進(jìn)單位長(zhǎng)度得到一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)探測(cè)點(diǎn)借助探查裝置采集多個(gè)測(cè)量角度在不同探測(cè)時(shí)刻的電壓，所述的多個(gè)測(cè)量角度沿鉆孔周向等間隔分布；

11、步驟2、對(duì)每個(gè)探測(cè)點(diǎn)采集到的多個(gè)測(cè)量角度在不同探測(cè)時(shí)刻的電壓進(jìn)行視電阻率計(jì)算，得到每個(gè)探測(cè)點(diǎn)在不同探測(cè)時(shí)刻的二維視電阻率曲線；所述二維視電阻率曲線上的任意點(diǎn)以測(cè)量角度為橫坐標(biāo)，以視電阻率為縱坐標(biāo)；

12、步驟3、以設(shè)定的插值步長(zhǎng)為間隔，對(duì)得到的所有二維視電阻率曲線分別進(jìn)行等間距插值，采用三次樣條插值法進(jìn)行插值計(jì)算，得到每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的插值后曲線；

13、步驟4、以差分代替微分的方法尋找插值后曲線的第一二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)和第二二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)，以第一二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)和第二二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)為控制點(diǎn)，對(duì)每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的插值后曲線進(jìn)行波形壓縮，得到每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的波形壓縮曲線；

14、步驟5、根據(jù)波形壓縮曲線確定危害水體探查異常區(qū)域。

15、作為優(yōu)選，所述步驟4中，基于以下公式對(duì)對(duì)二維視電阻率曲線進(jìn)行波形壓縮：

16、

17、其中，

18、

19、式中，

20、k是插值點(diǎn)在插值數(shù)據(jù)序列中的排序；

21、newps(k)*是插值后波形壓縮的視電阻率值，單位為ω·m；

22、newps(k)是插值后的視電阻率值，單位為ω·m；

23、degree(k)是測(cè)量角度，單位為度，取值范圍為0～180°；

24、t1為第一二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)，單位為度；

25、t2為第二二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)，單位為度；

26、det是同一探測(cè)點(diǎn)插值后視電阻率值的標(biāo)準(zhǔn)差；

27、psstd是視電阻率曲線上視電阻率最大值或最小值；單位為ω·m。

28、作為優(yōu)選，步驟1中所述的轉(zhuǎn)速為20～40s/周，所述的單位長(zhǎng)度為1m或2m。

29、作為優(yōu)選，步驟4所述的設(shè)定的插值步長(zhǎng)為1°～2°。

30、作為優(yōu)選，所述步驟5具體包括以下子步驟：

31、步驟5.1、對(duì)第一二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)與第二二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)之間的線段進(jìn)行四等分，在第一二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)與第二二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)之間的線段上得到順序排布的第一分割點(diǎn)、第二分割點(diǎn)和第三分割點(diǎn)；

32、步驟5.2、以波形壓縮曲線上橫坐標(biāo)與第一分割點(diǎn)的橫坐標(biāo)相同的點(diǎn)為第一端點(diǎn)，以波形壓縮曲線上橫坐標(biāo)與第三分割點(diǎn)的橫坐標(biāo)相同的點(diǎn)為第二端點(diǎn)，確定波形壓縮曲線上第一端點(diǎn)與第二端點(diǎn)之間的區(qū)域?yàn)槲：λw探查異常區(qū)域。

33、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

34、(1)本發(fā)明裝置通過(guò)在探管內(nèi)設(shè)置在自身重力作用下始終處于豎直狀態(tài)方向指向線圈，以及能夠繞方向指向線圈旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈，實(shí)現(xiàn)了只利用z分量對(duì)鉆孔旁的危害水體進(jìn)行三維空間探查，解決了現(xiàn)有三分量測(cè)量中x分量和y分量異常定位精度不高的技術(shù)問(wèn)題。

35、(2)本發(fā)明提供的探查方借助危害水體瞬變電磁探查裝置，能夠在鉆孔內(nèi)的同一探測(cè)深度處獲取多個(gè)測(cè)量方位的瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到二維視電阻率曲線，再對(duì)得到的二維視電阻率曲線進(jìn)行波形壓縮，以曲線二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)為基點(diǎn)，對(duì)過(guò)零點(diǎn)以內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)，過(guò)零點(diǎn)以外的數(shù)據(jù)進(jìn)行加速衰減，大大提升了對(duì)危害水體異常區(qū)域的分辨能力。

技術(shù)特征：

1.一種危害水體瞬變電磁探查裝置，包括置于鉆孔內(nèi)的探管，其特征在于，所述探管內(nèi)沿軸向設(shè)置有能夠隨探管同步運(yùn)動(dòng)的探管同心軸(1)，所述探管同心軸(1)上設(shè)置有方向指向線圈(2)，所述方向指向線圈(2)外設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)，所述方向指向線圈(2)中心與所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)中心位于同一幾何中心；所述方向指向線圈(2)所在平面與所述探管同心軸(1)軸線位于同一平面內(nèi)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)所在平面與所述探管同心軸(1)軸線位于同一平面內(nèi)；當(dāng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)隨所述探管同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述方向指向線圈(2)在自身重力作用下始終處于豎直狀態(tài)。

2.如權(quán)利要求1所述的危害水體瞬變電磁探查裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)固裝在所述探管同心軸(1)上，所述方向指向線圈(2)借助套設(shè)在探管同心軸(1)上的安裝環(huán)(4)與所述探管同心軸(1)相連。

3.如權(quán)利要求1所述的危害水體瞬變電磁探查裝置，其特征在于，所述方向指向線圈(2)與所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)均為矩形線圈，且所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)的長(zhǎng)度大于所述方向指向線圈(2)的長(zhǎng)度，所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)的寬度大于所述方向指向線圈(2)的寬度。

4.如權(quán)利要求1所述的危害水體瞬變電磁探查裝置，其特征在于，所述方向指向線圈(2)與所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)均為圓形線圈，且所述轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈(3)的直徑大于所述方向指向線圈(2)的直徑。

5.一種危害水體探查方法，其特征在于，所述方法通過(guò)如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的危害水體瞬變電磁探查裝置實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

6.如權(quán)利要求5所述的危害水體探查方法，其特征在于，所述步驟4中，基于以下公式對(duì)對(duì)二維視電阻率曲線進(jìn)行波形壓縮：

7.如權(quán)利要求5所述的危害水體探查方法，其特征在于，步驟1中所述的轉(zhuǎn)速為20～40s/周，所述的單位長(zhǎng)度為1m或2m。

8.如權(quán)利要求5所述的危害水體探查方法，其特征在于，步驟4所述的設(shè)定的插值步長(zhǎng)為1°～2°。

9.如權(quán)利要求5所述的危害水體探查方法，其特征在于，所述步驟5具體包括以下子步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種危害水體瞬變電磁探查裝置及探查方法，探查裝置包括置于鉆孔內(nèi)的探管，探管內(nèi)沿軸向設(shè)置有能夠隨探管同步運(yùn)動(dòng)的探管同心軸，探管同心軸上設(shè)置有方向指向線圈，方向指向線圈外設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈，方向指向線圈中心與轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈中心位于同一幾何中心；方向指向線圈所在平面與探管同心軸的軸線位于同一平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈所在平面與探管同心軸的軸線位于同一平面內(nèi)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)線圈隨探管同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，方向指向線圈在自身重力作用下始終處于豎直狀態(tài)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了只利用Z分量對(duì)危害水體進(jìn)行三維空間探查，有效解決了現(xiàn)有三分量測(cè)量中X分量和Y分量異常定位精度不高的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)波形壓縮提升了水體異常區(qū)域的分辨能力。

技術(shù)研發(fā)人員：劉磊,范濤,王云宏,趙睿,陳龍,李博凡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2