基于u形螺線源的礦井瞬變電磁探測裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及地質與勘探地球物理領域，尤其涉及一種基于U形螺線源的礦井瞬變 電磁探測裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是一種建立在電磁 感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測方法。它是利用不接地回線或接地導線向地下發(fā) 射一次場，在一次場關斷后，測量由地下介質產(chǎn)生的感應二次場隨時間的變化，來達到尋找 各種地質目標的一種地球物理勘探方法。將瞬變電磁法應用于礦井井下探測時，稱為礦井 瞬變電磁法（Mine Transient Electromagnetic Method，簡稱MTEM)〇
[0003] 目前，在礦井瞬變電磁探測中，主要的觀測系統(tǒng)有中心回線方式、重疊回線方式和 偶極方式。圖1是偶極方式觀測系統(tǒng)示意圖。整個系統(tǒng)一般由發(fā)射線圈、發(fā)射機、主機和接收 線圈四部分組成(有的系統(tǒng)發(fā)射機和主機為一體機）。不論采用哪種觀測系統(tǒng)，發(fā)射線圈一 般采用多匝方形回線源。在數(shù)據(jù)處理方面，一般是先計算全區(qū)視電阻率(將磁場強度轉換為 視電阻率），然后進行時深轉換(將采樣時間轉換為深度），最后成圖解釋。
[0004] 以上傳統(tǒng)礦井瞬變電磁探測裝置與方法具有如下缺點：
[0005] (1)抗干擾能力差，井下探測具有干擾源復雜(包括工業(yè)電、鐵軌、錨桿、掘進機等） 的特點；多匝方形回線源易受線圈附近干擾源影響，這會降低探測精度和分辨率。
[0006] (2)發(fā)射線圈和接收線圈互感較強，這會增大儀器的關斷時間，造成20m左右的探 測盲區(qū)。
[0007 ] (3)發(fā)射線圈尺寸相對較大，限制了在狹小巷道空間中的應用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 針對上述現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供一種基于U形螺線源的礦井瞬變電磁探 測裝置與方法，以適應干擾源復雜和探測空間狹小的井下探測條件，并減小探測盲區(qū)，提高 數(shù)據(jù)處理精度和分辨率。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是:一種基于U形螺線源的礦井瞬變電 磁探測裝置，包括發(fā)射線圈、發(fā)射機、主機和接收線圈;所述發(fā)射線圈與發(fā)射機連接，發(fā)射機 和接收線圈均與主機連接;所述發(fā)射線圈設有非導電U形支架和供電電線，所述供電電線以 密繞螺線的方式纏繞在U形支架上，供電電線的起點在U形支架的一端，終點在U形支架的另 一端，兩端各預留出2_3m連接線與發(fā)射機連接。
[0010] 所述的U形支架由兩個直管和一個半圓形彎管組成，直管和半圓形彎管之間通過 螺紋接口連接。
[0011] 所述兩個直管尺寸相同，半圓形彎管外徑與直管外徑一致。
[0012] 所述直管的外徑為160mm-320mm，長度0.5m_2m;所述半圓形彎管外徑160mm-320mm，半圓的直徑0.5m_2m。
[0013]所述U形支架由不導電材料PVC做成。
[0014] 所述發(fā)射線圈通過供電電線與發(fā)射機連接，發(fā)射機和接收線圈通過信號線與主機 連接。
[0015] 所述發(fā)射線圈與接收線圈間隔1 -5m。
[0016] 所述發(fā)射機和主機距離發(fā)射線圈和接收線圈lm之外。
[0017]所述發(fā)射機、主機、接收線圈和信號連接線與傳統(tǒng)多匝方形回線源瞬變電磁探測 裝置相同。
[0018]基于U形螺線源的礦井瞬變電磁探測方法：
[0019] 1)布置測線，在巷道內(nèi)確定探測起點、終點位置，沿測線在巷道側幫用粉筆或油漆 每隔5m或10m標上標記；
[0020] 2)組裝儀器，將發(fā)射線圈通過供電電線與發(fā)射機連接，將發(fā)射機和接收線圈通過 信號線與主機連接;使發(fā)射線圈與接收線圈保持間隔l_5m;使發(fā)射機和主機距離發(fā)射線圈 和接收線圈lm之外；
[0021] 3)數(shù)據(jù)采集，采集時，整個探測裝置作為一個整體，首先放置在測線起點位置進行 一次數(shù)據(jù)采集;然后，按照標在巷道側幫的標記，每隔5m或10m進行一次數(shù)據(jù)采集，直至測線 餘占. ，-、，
[0022] 4)數(shù)據(jù)處理，下面給出t(i)采樣時間點基于二分搜索算法的全區(qū)視電阻率計算步 驟：
[0023] 4.1)給定二分搜索初始取值區(qū)間[Pa，Pb]，最小相對誤差Emin;
[0024] 4.2)計算中值電阻率01 = (03+01〇/2，帶入半空間正演公式132111(:〇=;^|>1，1:(;〇]計 算中值電阻率所對應的理論磁感應強度
[0025] 4.3)計算觀測值Bz (i)與理論值Bzm⑴之間的相對誤差ε = | Bzm(i)-Bz(i) | /Bz (i); 如果G ，則即為全區(qū)視電阻率，對應深度算公式
其中μ〇 = 43?Χ10-7Ν/Α2為真空磁導率，α = 〇.3為全空間系數(shù)，第0個采樣時間點t(0)=0,計 算結束;否則，進行下一步；
[0026] 4.4)如果隊（;〇>132111(:〇則06 = 01，反之0￡1 = 01;返回步驟2)繼續(xù)執(zhí)行。
[0027] 步驟4.2中的半空間正演公式可參考文獻(李金銘，地電場與電法勘探[M]，北京： 地質出版社，2005)，本文中將不再詳述。
[0028] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點和效果如下：
[0029] (1)本發(fā)明將傳統(tǒng)多匝方形回線源改造為U形螺線源，減小了發(fā)射線圈附近干擾源 對一次場的干擾，從而提高了數(shù)據(jù)質量，提高了探測精度和分辨率；（2)本發(fā)明將傳統(tǒng)多匝 方形回線源改造為U形螺線源，減小了發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感，即減小了關斷時 間，減小了探測盲區(qū)；（3)本發(fā)明將傳統(tǒng)多匝方形回線源改造為U形螺線源，減小了發(fā)射線圈 的尺寸，更加適應井下狹小的巷道空間；（4)采用本發(fā)明中的計算方法，計算結果更精確； (5)本發(fā)明結構簡單易于實現(xiàn)，很容易將傳統(tǒng)多匝方形回線源瞬變電磁探測裝置改造而成。
【附圖說明】
[0030] 圖1基于多匝方形回線源的礦井瞬變電磁探測裝置；
[0031]圖2基于U形螺線源的礦井瞬變電磁探測裝置；
[0032]圖3 U形螺線源示意圖；
[0033]圖4 U形支架結構示意圖；
[0034]圖5多匝方形回線源一次場示意圖；
[0035] 圖6 U形螺線源一次場示意圖；
[0036]圖7某巷道6號測點實測數(shù)據(jù)；
[0037]圖8基于U型螺線源的礦井瞬變電磁探測裝置實測數(shù)據(jù)成果圖。
[0038]圖中，1.發(fā)射線圈，1-1.U形支架，1-11.半圓形彎管，1-12.直管，1-2.供電電線，2. 發(fā)射機，3.主機，4.接收線圈。
【具體實施方式】
[0039]以下參照具體實施例對本發(fā)明進行詳細的說明。
[0040] 實施例1
[0041]為了說明本發(fā)明的抗干擾能力和在減小關斷時間方面的效果，本發(fā)明給出了傳統(tǒng) 方形回線源探測裝置和本發(fā)明的測試對比結果。
[0042] 實施例中多匝方形回線源和U形螺線源參數(shù)設置：
[0043]多匝方形回線源采用邊長2m的正方形支架，供電電線長512m，以密繞螺線的方式 纏繞在正方形支架上，兩端各留出2.5m與發(fā)射機連接(結合附圖1)。
[0044] U形螺線源的U形支架1-1由兩個直管1-12和一個半圓形彎管1-11三部分組成，材 料均為PVC，直管1-12和半圓形彎管1-13之間通過螺紋接口連接;兩個直管1-12尺寸相同， 外徑160mm，長度0.5m;半圓形彎管1_11外徑160mm，半圓的直徑0.5m。
[0045] 供電電線1-2采用原有多匝方形回線源供電電線，長度512m。供電電線1-2以密繞 螺線的方式纏繞在U形支架1 -1上，供電電線1 -2的起點在U形支架1 -1的一端，終點在U形支 架1 -2的另一端，兩端各留出2.5m與發(fā)射機2連接(結合附圖2、3和4)。
[0046] 結附圖5和附圖6可以看出，多匝方形回線源一次場分布發(fā)散(見圖5)，關斷供電電 流時會在接收線