瞬变电磁仪和矿井水文地质勘探方法
【专利摘要】本发明提供了一种瞬变电磁仪和矿井水文地质勘探方法。该瞬变电磁仪的接收端子采用矢量磁力计结构，该矢量磁力计包括三轴磁通门传感器，该三轴磁通门传感器的X、Y、Z三个方向均采用微型线圈作为敏感单元，用于检测包含地质磁场变化信息的磁场信号。瞬变电磁仪采用了三轴磁通门传感器，且其内部X、Y、Z三个方向都有微型线圈作为敏感单元，可实现对微弱信号的高灵敏度检测，能够有效减少近距离探测的盲区，提升了探测的准确度。
【专利说明】瞬变电磁仪和矿井水文地质勘探方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及瞬变电磁探测【技术领域】，具体而言，涉及瞬变电磁仪和矿井水文地质勘探方法。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国的主要能源，在一次能源生产和消费结构中所占的比重超过70%，在国民经济中占有重要的战略地位。我国煤矿开采深度平均每年增加20m以上，随着开采深度和开采强度的不断增加，煤矿安全问题开始显现，特别是近几年，煤矿突水的�：θ涨餮现�。“十一五”期间全国煤矿水害事故分析报告中指出:2006?2010年全国煤矿水害发生10339起，死亡人数16811人，其中较大(死亡3人以上)以上水害事故140起，死亡人数1083人。《煤矿安全生产“十二五”规划》中明确指出:我国煤矿灾害日趋严重，急需进一步完善灾害监控、预测预警与防治技术体系，加大煤矿安全科技攻关，推广使用先进适用技术与装备，提高技术装备的安全保障能力。其早期探测预警技术及装备是煤矿水害防治的关键。
[0003]目前，国内外对煤矿水害的监测手段主要有钻探、TSP (Tunnel SeismicPrediction，隧道地震预报)探测技术、探地雷达法、直流电法、瞬变电磁法等。其中，瞬变电磁法凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、设备轻便等一些优点，已成为煤矿水害探测的最佳选择方法。矿井瞬变电磁超前探测可以高效准确地探测巷道迎头前方富水状态，可以提高煤矿生产效率、缩短巷道掘进所花费的时间，节约成本，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中，工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进，是其它方法所不具备的。
[0004]但是，目前的瞬变电磁法存在近距离探测盲区，其主要原因是目前瞬变电磁仪的接收端子通常采用ImX Im的接收线圈，导致接收端子与发射端子之间的互感比较大，从而浅部地层结构反射回的早期信号中所掺杂的一次场互感信号的影响较大，降低了探测结果的准确度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供瞬变电磁仪和矿井水文地质勘探方法，以解决上述瞬变电磁法存在近距离探测盲区的问题。
[0006]在本发明的实施例中提供了一种瞬变电磁仪，该瞬变电磁仪的接收端子采用矢量磁力计结构，该矢量磁力计包括三轴磁通门传感器，该三轴磁通门传感器的X、Y、Z三个方向均采用微型线圈作为敏感单元，用于检测包含地质磁场变化信息的磁场信号。
[0007]在本发明的实施例中提供了一种矿井水文地质勘探方法，该方法采用上述瞬变电磁仪进行勘探。
[0008]本发明实施例提供的瞬变电磁仪采用了三轴磁通门传感器，且其内部X、Y、Z三个方向都有微型线圈作为敏感单元，可实现对微弱信号的高灵敏度检测，能够有效减少近距离探测的盲区，提升了探测的准确度。【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示出了本发明实施例的矢量磁力计的平面阵列示意图；
[0010]图2示出了本发明实施例的矢量磁力计的内部结构示意图；
[0011]图3示出了本发明实施例的瞬变电磁仪的接收系统的结构示意图；
[0012]图4示出了本发明实施例的瞬变电磁仪的接收系统电路原理示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0014]考虑到目前的瞬变电磁法存在近距离探测盲区的问题，本实施例提供了一种瞬变电磁仪，该瞬变电磁仪的接收端子采用矢量磁力计结构，该矢量磁力计包括三轴磁通门传感器(也可以称为三轴磁通门探头)，该三轴磁通门传感器的X、Y、Z三个方向均采用微型线圈作为敏感单元，用于检测包含地质磁场变化信息的磁场信号。
[0015]本实施例的瞬变电磁仪采用了三轴磁通门传感器，且其内部X、Y、Z三个方向都有微型线圈作为敏感单元，可实现对微弱信号的高灵敏度检测，相比于ImXlm的接收线圈，本实施例的接收端子可有效减小发射端子与接收端子之间存在的互感，从而减少浅部地层结构反射回的早期信号中所搀杂的一次场互感信号的影响，使瞬变电磁仪的接收端可以接收到更多纯净的早期信号，能够有效减少近距离探测的盲区，提升了探测的准确度。
[0016]为了增大瞬变电磁仪的有效探测距离，上述接收端子由5个相同的矢量磁力计以平面阵列的形式组成；具体地，上述接收端子可以采用5个矢量磁力计在平行于发射线圈的平面上组成平面阵列的方式实现。相应地，本实施例的瞬变电磁仪的接收机可以包括:多路同步采集�？椋糜谕讲杉�5个相同的矢量磁力计检测的磁场信号。
[0017]具体实现时，可以将带有5个矢量磁力计的接收端子连接到接收机的多路同步采集系统(即上述多路同步采集�？�)上，多路同步采集系统的同步信号通过导线同步方式连接至瞬变电磁仪的发射机，根据瞬变电磁仪的发射机提供的同步信号，该多路同步采集系统同步采集瞬变电磁响应信号。因为上述矢量磁力计具有高灵敏度，可以实现对IOnT微弱电磁波信号的有效接收，相对ImX Im线圈，该矢量磁力计的接收灵敏度得到了很大提高，从而可以实现对深部地层中反射回的电磁波信号进行接收，有效的提高了瞬变电磁仪的探测深度。
[0018]上述矢量磁力计的平面阵列的结构可以为:4个矢量磁力计分别设置在四方形(例如0.8mX0.8m的正方形)的四个角上，I个矢量磁力计设置在四方形的中央位置上；各个矢量磁力计均由支架支撑。如图1所示的矢量磁力计的平面阵列示意图，其中，矢量磁力计11位于矢量磁力计12、矢量磁力计13、矢量磁力计14和矢量磁力计15围成的四方形的中央，支架16将各个矢量磁力计连接并支撑在固定的位置。
[0019]上述支架的材料可以为PVC塑料(聚氯乙烯的简称，英文名称为Poly VinylChloride)，为了固定好各个矢量磁力计，每个矢量磁力计设置于支架的卡槽内，该卡槽是根据各个矢量磁力计的安置位置进行设置的，同时，该卡槽设置有固定矢量磁力计的开关。优选地，该支架设置在瞬变电磁仪的发射线圈中央，并与发射线圈处于同一个平面。
[0020]放好矢量磁力计之后，可以将支架和瞬变电磁仪的发射线圈平行于掌子面布置，该支架位于发射线圈中央并与发射线圈处于同一平面，并位于距离掌子面半米的距离进行探测。发射线圈和接收端子分别连接到发射机和接收机，瞬变电磁仪的发射机和多路同步采集系统之间采用同步电缆相连接。矢量磁力计采用阵列的方式可以使接收端子接收到更加全面的信息，同时矢量磁力计具有高灵敏度，可以实现对IOnT微弱电磁波信号的有效接收，所以本实施例的设计可以接收到更加全面的微弱电磁信号，可以有效的增加探测的深度。
[0021]为了进一步提升探测的准确度，本实施例的上述接收端子中的矢量磁力计外壳进行了抗干扰设计，在外壳上增加屏蔽线圈，有效降低工频干扰以及其它电磁干扰，提高信号的信噪比，提供采集数据质量，为精确探测打好基础。同时瞬变电磁仪接收机可同时采集16路信号，最高采样率为lMsps，探测有效信号动态范围达153dB，并且具有良好的信噪比和谐波失真特性。如图2所示的矢量磁力计的内部结构示意图，该矢量磁力计包括外壳21和内壳24 ;三轴磁通门传感器22设置于内壳24内，且其微型线圈缠绕在铁氧体磁芯上；外壳21与内壳24之间设置有屏蔽线圈23。
[0022]其中，上述外壳的尺寸可以为30mm X 20mm X 20mm ;内壳的尺寸可以为25mmX 15mmX 15mm。三轴磁通门传感器22是利用MEMS技术加工而成的，三轴磁通门传感器22封装有小型接收线圈和铁氧体磁芯，在铁氧体芯X、Y、Z三个方向上分别有一个MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)工艺加工的微型线圈，根据磁通门传感器原理，可以接收包含地磁场变化信息的磁场信号，从而实现X、Y、Z三方向的矢量探测，采用铁氧体磁芯可以有效的增强X、Y、Z三个方向微型线圈接收到磁场信号的强度，三个方向接收的磁场信号传输到多路同步采集系统进行处理，屏蔽线圈23为沿着X、Y、X方向与信号接收线圈的方向相同，可以有效屏蔽其他方向的感应信号，减少干扰信号的影响。
[0023]如图3所示的瞬变电磁仪的接收系统的结构示意图，其中，该接收系统包括:接收端子31和接收机34，该接收端子31包括由磁芯外绕线圈32和感应线圈33组成。其中，磁芯外绕线圈32相当于屏蔽线圈，感应线圈33是绕在磁芯上的线圈，起到感应信号的作用。
[0024]接收机34由多路同步采集�？�35、控制�？�36、处理�？�37和供电�？�38组成。各个�？榈募虻ニ得魅缦�:
[0025]多路同步采集模块35主要是实现对5路采集信号的同步采集，通过RC抗混叠滤波处理防止5路信号产生叠加混乱；
[0026]控制�？�36用于从多路同步采集�？�35采集的磁场信号中提取反映待测磁场的幅值最大的二次谐波，并将二次谐波转换为数字信号；其由放大电路、鉴相电路、低通滤波电路、A/D转换电路等组成，具体任务是提取采集的有效信号中可反映待测磁场的幅值最大的二次谐波并对其进行处理，实现将输出的模拟信号转换成数字信号；其中，放大电路是将多路同步采集�？椴杉氐氖萁蟹糯螅患嗟缏分饕鞘迪侄驭�、Υ、Ζ三方向信号的辨别处理；低通滤波电路主要是将采集的信号中掺杂的部分同极性电磁干扰信号进行滤波处理；A/D转换电路主要是将输出的模拟信号转换成数字信号；
[0027]处理模块37用于读取并存储控制�？槭涑龅氖中藕牛⒏萦没е噶畲硎中藕牛渲饕筛咚貯RM芯片及其外围电路组成，其任务是对各个�？榻锌刂疲⑹迪侄訟/D转换结果的高速读取、数据处理、存储、显示和上传数据给上位机等；
[0028]供电模块38用于为瞬变电磁仪供电，主要包括电池，其持续供电能力可以达到8个小时，从而保障探测工作的顺利完成。
[0029]本实施例还提供了图4所示的瞬变电磁仪的接收系统电路原理示意图，其中包括:探头、放大电路、鉴相电路，滤波输出电路、反馈电路、A/D转换电路、基准源、晶体振荡电路、分频电路、激励电路等，该接收系统电路的工作原理如下:
[0030]晶体振荡电路产生几MHZ的方波信号，经分频电路分频后再经探头激励驱动电路，形成几KHZ的激励信号。探头在交变信号的激励下，根据磁通门传感器原理，产生输出包含地磁场变化信息的激励信号的二次谐波。该二次谐波经放大电路放大后，在鉴相电路处与晶振振荡的分频信号鉴相，经滤波输出电路进行滤波处理，形成正比于对应磁场方向的准直流电压信号，输入至A/D转换电路转换为数字形式的直流电压信号。该直流电压信号经反馈电路反馈至探头的感应线圈，产生与外磁场相反的磁场，构成负反馈系统，使探头工作在零磁场附近。瞬变电磁仪(例如:如其内部的CPU)首先读取地磁场的X和Z分量总量值之后，计算D/A转换电路产生于地磁场大小最接近的补偿电路，经反馈电路作用于探头,形成X和Z方向的补偿磁�。缘窒饬礁龇较虻木蟛糠肿匀淮懦�。这样，磁场变化量可以处在模数转换的有效动态范围之内，进而提高了测量灵敏度和分辨力。
[0031]本实施例的瞬变电磁仪的接收系统的接收端子采用MEMS加工工艺设计的矢量磁力计组成平面阵列，数据采集使用高速16位ADC，处理器采用高速的ARM处理器，发射机与接收机之间使用同步电缆控制信号的同步性，可以减小瞬变电磁探测存在的探测盲区，增加探测的深度，减小干扰信号的影响，提高探测结果的可靠度。[0032]本实施例还提供了一种矿井水文地质勘探方法，该方法采用上述瞬变电磁仪进行勘探。具体地，采用上述瞬变电磁仪应用时间域瞬变电磁法(TEM)进行探测时，在层状大地介质中，半径为a和b的同心圆型线圈瞬变电磁互阻抗Z (t)计算公式为:
[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)为层状结构大地阻抗函数，P为厚度与其电阻率的乘积，P为与_j?对应的拉普拉斯算子，ω为角频率，λ为汉克尔逆变换的积变量，I (ρ)为归一化的
电流波形拉普拉斯变换，为关于P的拉普拉斯逆变换，J为贝赛尔函数。因为微型的接收线圈尺寸较�。运脖涞绱呕プ杩筞 (t)会非常�。脖涞绱乓翘讲饣氐脑缙谛藕胖谢岵笤幼乓淮纬』ジ行藕诺挠跋欤痉⒚魃杓频慕邮斩俗涌梢杂行Ъ跣』ジ行藕诺挠跋欤挂瞧骺梢越邮盏礁啻烤坏脑缙谛藕牛约跣√讲饨峁嬖诘拿で哂兄卮笞饔�。
[0035]以上实施例中的瞬变电磁仪具有以下优点:
[0036](I)探测灵敏度高:采用高灵敏度的矢量磁力计，最小可实现对IOnT微弱电磁信号的接收，从而使采集信号强度范围变的更广，探测的灵敏度相应得到提高，有利于提高探测结果的准确度。
[0037](2)抗干扰性能好:接收端子外壳进行了屏蔽设计，有效的降低了工频干扰以及其它电磁干扰，提高信号信噪比，同时利用矢量磁力计的方向性，在后期的数据处理中将探测后方反射回的电磁波数据信号进行剔除处理，从而使接收系统的抗干扰性能得到有效的提闻，有利于提闻探测结果的准确度。
[0038](3)采样频率较高:上述接收系统可同时采集16路信号，最高采样率为lMsps，探测有效信号动态范围达153dB，并且具有良好的信噪比和谐波失真特性，从而使采集的数据更加准确，有利于提高探测结果的准确度。
[0039]将上述瞬变电磁仪用于超前探测技术中，可以实现对煤矿井下微弱电磁信号的高灵敏度接收，有效避免接收端子与发射线圈之间的互感，并降低井下复杂环境对探测结果的干扰，能够对煤矿水害进行准确超前探测，对煤矿安全生产的预报预警具有重要作用。
[0040]显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个�？榛虿街柚谱鞒傻ジ黾傻缏纺？槔词迪�。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0041]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种瞬变电磁仪，其特征在于，所述瞬变电磁仪的接收端子采用矢量磁力计结构，所述矢量磁力计包括三轴磁通门传感器，所述三轴磁通门传感器的X、Y、Z三个方向均采用微型线圈作为敏感单元，用于检测包含地质磁场变化信息的磁场信号。
2.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述接收端子由5个相同的矢量磁力计以平面阵列的形式组成； 所述瞬变电磁仪的接收机包括:多路同步采集�？椋糜谕讲杉�5个相同的矢量磁力计检测的磁场信号。
3.根据权利要求2所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述矢量磁力计的平面阵列的结构为:4个矢量磁力计分别设置在四方形的四个角上，I个矢量磁力计设置在所述四方形的中央位置上；各个矢量磁力计均由支架支撑。
4.根据权利要求3所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述支架的材料为聚氯乙烯PVC塑料，每个所述矢量磁力计设置于所述支架的卡槽内，所述卡槽设置有固定所述矢量磁力计的开关。
5.根据权利要求4所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述支架设置在所述瞬变电磁仪的发射线圈中央，并与所述发射线圈处于同一个平面。
6.根据权利要求2所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述接收机还包括: 控制�？椋糜诖铀龆嗦吠讲杉？椴杉拇懦⌒藕胖刑崛》从炒獯懦〉姆底畲蟮亩涡巢ǎ⒔龆涡巢ㄗ晃中藕牛� 处理�？椋糜诙寥〔⒋娲⑺隹刂颇？槭涑龅乃鍪中藕牛⒏萦没е噶畲硭鍪中藕牛� 供电�？椋糜谖鏊脖涞绱乓枪┑�。
7.根据权利要求6所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述控制�？橛梢来蜗嗔姆糯蟮缏�、鉴相电路、低通滤波电路、A/D转换电路组成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述矢量磁力计包括外壳和内壳；所述三轴磁通门传感器设置于所述内壳内，且所述微型线圈缠绕在铁氧体磁芯上；所述外壳与所述内壳之间设置有屏蔽线圈。
9.根据权利要求8所述的瞬变电磁仪，其特征在于，所述外壳的尺寸为30mmX20mmX20mm ;所述内壳的尺寸为 25mmX 1 5mmX 15mm。
10.一种矿井水文地质勘探方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1至9中任一项所述的瞬变电磁仪进行勘探。
【文档编号】G01V3/28GK103941298SQ201410150246
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】张文栋, 胡杰, 李国才, 桑胜波, 李朋伟, 李刚 申请人:太原理工大学
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