钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测系统及方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种能对钻孔径向较远距离(≥30m)的低电阻地质异常体(如隐伏水害)进行探测的孔中瞬变电磁观测系统及方法。

背景技术

煤矿事故大多出现在巷道掘进期间，突水事故是其中重大灾害之一，为保证巷道安全快速掘进，矿方极为关注未掘区域的隐蔽致灾因素，此外，煤层气水力压裂和底板注浆改造效果的检测，也是煤矿关注的重点，这些问题均可采用钻孔瞬变电磁探测来解决。近年来，随着煤矿井下钻孔瞬变电磁探测技术的发展，对钻孔径向低电阻地质异常体(尤其是水害威胁)的探测精度已达到了较高水平，但径向探测距离一直受限，在地质条件较好的情况下，径向探测30m已经是极限，这个距离对压裂和注浆改造不能很好满足其需求，因为压裂和注浆钻孔希望孔间距尽量大，从而降低成本，而为了保证钻孔瞬变电磁探测范围无盲区全覆盖且存在一定的重叠段，当前要求钻孔间距不能大于40m或50m，小于矿方预期。同时，30m的径向探测距离对巷道超前探测按照安全规程也仅是勉强满足需要，不存在余量，也有增大的需要。

要提高径向探测距离就要测量时间更长的信号，意味着必须增大发射能量和信号接收能力提高晚期信号探测质量，一般要通过增大发射线圈尺寸、增加发射线圈匝数、增大发射电流强度和增加接收线圈匝数、增加接收磁芯长度等方法，但由于钻孔中装置较小，任意增大一项参数都会显著增大装置的电感影响，造成早期信号的饱和，参数增大越多饱和段越长，损失的钻孔径向较近距离的地质信息越多。

为解决这一问题，本发明提出一种利用两组三分量收发装置组合的钻孔瞬变电磁观测系统，分别设置不同的装置参数，并设计独特的三分量线圈排列，确保全面探测钻孔径向近处和远处的地质电性信息。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测系统及方法，以解决现有技术中难以提高径向探测距离等问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种三分量收发探管，包括外骨架，在外骨架外绕制发射线圈且发射线圈的轴心线为外骨架中心轴线；还包括依次布设在外骨架内的第一内骨架、中心内骨架和第二内骨架；在中心内骨架内放置铁氧体磁芯并在中心内骨架外侧绕制有X方向的水平分量接收线圈和Y方向的水平分量接收线圈，在第一内骨架和第二内骨架内均放置铁氧体磁芯并在第一内骨架和第二内骨架外分别绕制Z方向接收线圈且Z方向接收线圈的轴心线为第一内骨架和第二内骨架中心轴线；X方向的水平分量接收线圈、Y方向的水平分量接收线圈和Z方向接收线圈的轴心线相互垂直；所述外骨架、第一内骨架、中心内骨架和第二内骨架均为绝缘骨架。

一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测系统，包括两个权利要求1所述的三分量收发探管以及设在两个三分量收发探管之间的控制探管；两个三分量收发探管分别为探管A和探管B，且探管A和探管B的探管参数不同，控制探管为探管C；探管A、探管C和探管B依次同轴连接；所述探管参数包括发射线圈匝数、接收线圈匝数、第一内骨架和第二内骨架长度、铁氧体磁芯长度。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述探管A包括外骨架A，在外骨架A外绕制发射线圈A且发射线圈A的轴心线为外骨架A中心轴线，还包括依次布设在外骨架A内的第一内骨架A、中心内骨架A和第二内骨架A，所述第一内骨架A和第二内骨架A的轴向以及中心内骨架A的长边延伸方向均与外骨架轴向相同；在中心内骨架A内放置铁氧体磁芯A并在中心内骨架A外侧绕制有X方向的水平分量接收线圈A和Y方向的水平分量接收线圈A，在第一内骨架A和第二内骨架A内均放置铁氧体磁芯A并在第一内骨架A和第二内骨架A外分别绕制Z方向接收线圈A且Z方向接收线圈A的轴心线为第一内骨架A和第二内骨架A中心轴线；X方向的水平分量接收线圈A、Y方向的水平分量接收线圈A和Z方向接收线圈A的轴心线相互垂直；

所述探管B包括外骨架B，在外骨架B外绕制发射线圈B且发射线圈B的轴心线为外骨架B中心轴线，还包括依次布设在外骨架B内的第一内骨架B、中心内骨架B和第二内骨架B，所述第一内骨架B和第二内骨架B的轴向以及中心内骨架B的长边延伸方向均与外骨架轴向相同；在中心内骨架B内放置铁氧体磁芯B并在中心内骨架B外侧绕制有X方向的水平分量接收线圈B和Y方向的水平分量接收线圈B，在第一内骨架B和第二内骨架B内均放置铁氧体磁芯B并在第一内骨架B和第二内骨架B外分别绕制Z方向接收线圈B且Z方向接收线圈B的轴心线为第一内骨架B和第二内骨架B中心轴线；X方向的水平分量接收线圈B、Y方向的水平分量接收线圈B和Z方向接收线圈B的轴心线相互垂直。

具体的，所述发射线圈A的匝数小于发射线圈B的匝数；Z方向接收线圈A的匝数小于Z方向接收线圈B的匝数；第一内骨架A和第二内骨架A的长度均小于第一内骨架B和第二内骨架B的长度；第一内骨架A和第二内骨架A内的铁氧体磁芯A的长度均小于第一内骨架B和第二内骨架B内的铁氧体磁芯B的长度。

具体的，所述控制探管中布设有发射电路、采集电路和存储设备；

所述发射电路用以控制探管A和探管B的发射线圈发射参数，探管A发射的方波电流频率比探管B发射的方波电流频率高，探管A发射电流小于探管B发射电流；

所述采集电路用以接收和转换探管A和探管B的接收线圈接收参数，探管A接收时间比探管B接收时间短；

所述存储设备用以存储探管A和探管B的所有测量参数及实测感应电动势；

所述探管A探测近区，探管B探测远区。

具体的，所述发射电路和采集电路之间通过高温导线相互连接，采集电路通过板内SPI串行总线将采集数据写入存储设备；所述发射线圈通过漆包铜线与发射电路连接，所述X方向的水平分量接收线圈、Y方向的水平分量接收线圈及Z方向接收线圈均通过漆包铜线与采集电路连接。

一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测方法，该方法采用权利要求2至6任一权利要求所述的观测系统进行探测观测，从孔口至孔底的观测点位依次为观测点位0、观测点位1、观测点位2、…、观测点位n，n为孔底观测点位；该方法具体包括以下步骤：

步骤一，首先探管A移动至观测点位1，此时探管B位于观测点位0，探管A开始在观测点位1进行发射和接收，完成后探管B在观测点位0进行发射和接收；

步骤二，随后探管A和探管B沿钻孔继续向前移动，探管A移动至观测点位2，此时探管B位于观测点位1，探管A开始在观测点位2进行发射和接收，完成后探管B在观测点位1进行发射和接收；

步骤三，依次向孔底方向移动探管A和探管B并在每个观测点位重复上述观测方式直至孔底；

步骤四，将探管A和探管B的所有测量参数及实测感应电动势存至存储设备完成钻孔瞬变电磁径向远距离探测。

具体的，所述测量参数包括线圈电线线径、线圈匝数、线圈绕制半径、发射电流强度、铁氧体磁芯长度、线圈绕制层数、线圈绕制边长、磁芯厚度。

一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测数据处理方法，该方法根据权利要求8所述的探管A和探管B的测量参数对探管A和探管B的实测感应电动势均按照如下公式进行归一化：

(1)和(2)式中，

V表示感应电动势，V

a表示电线线径，a

n表示线圈匝数，n

所述外骨架为圆筒形时，发射线圈的轴心线为外骨架中心轴线，对应的r

I表示发射电流强度；

L

c表示X或Y方向的水平分量接收线圈绕制层数；

l表示X或Y方向的水平分量接收线圈绕制边长，l

所述中心内骨架为长方体形时，对应的H

对上述归一化后的数据进行观测点位校准和拼接，获取该观测点位长时间连续稳定观测数据。

具体的，对归一化后的数据进行观测点位校准和拼接包括：对同一观测点位数据，剔除探管A晚期不稳定段数据，剔除探管B早期饱和段数据，之后对两组数据进行拼接，获取该观测点位长时间连续稳定观测数据。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明实现了对钻孔径向远处地质信息的探测，探测半径为现有技术的2倍以上，对煤矿井下掘进超前探测、水力压裂和注浆改造效果检测有重要意义，能增大钻孔间距，减少钻孔数量，降低施工成本。

附图说明

图1为本发明三分量收发探管结构示意图。

图2为本发明钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测系统示意图。

图3为探管A与探管B交替探测推进方式示意图。

图4为探管A与探管B观测数据曲线对比图。

图5为归一化后的数据合成曲线图。

附图标记含义：1.外骨架，2.发射线圈，3.第一内骨架，4.中心内骨架，5.第二内骨架，6.X方向的水平分量接收线圈，7.Y方向的水平分量接收线圈，8.Z方向接收线圈；10.探管A，20.探管C，30.探管B。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明提出一种三分量收发探管以及利用两组三分量收发探管组合的钻孔瞬变电磁观测系统和方法，分别设置不同的探管参数，并设计独特的三分量线圈排列，确保全面探测钻孔径向近处和远处的地质电性信息。其中，探管A探近处，能量小，晚期信号差，无法反映远处信息；探管B探远处，能量大，早期信号饱和，无法反映近处信息(如图4)；最后将探远的数据补到探近数据的后面，形成从远到近的全域探测(如图5)。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种三分量收发探管，如图1以及图2中的探管A或探管B，包括外骨架，在外骨架外绕制发射线圈且发射线圈的轴心线为外骨架中心轴线；还包括依次布设在外骨架内的第一内骨架、中心内骨架和第二内骨架；在中心内骨架内放置铁氧体磁芯并在中心内骨架外侧绕制有X方向的水平分量接收线圈和Y方向的水平分量接收线圈，在第一内骨架和第二内骨架内均放置铁氧体磁芯并在第一内骨架和第二内骨架外分别绕制Z方向接收线圈且Z方向接收线圈的轴心线为第一内骨架和第二内骨架中心轴线；X方向的水平分量接收线圈、Y方向的水平分量接收线圈和Z方向接收线圈的轴心线相互垂直；所述外骨架、第一内骨架、中心内骨架和第二内骨架均为绝缘骨架。

具体的，在本实施例中，外骨架为圆筒形，中心内骨架为长方体形，中心内骨架内的铁氧体磁芯也为长方体形，第一内骨架和第二内骨架为圆筒形，第一内骨架和第二内骨架内的铁氧体磁芯均为圆柱形；在其他实施例中，可以根据实际需要将内骨架设置为长方体形或圆筒形，对应的其内部的铁氧体磁芯也根据内骨架结构设置为长方体形或圆柱形；都能实现其探测功能。

实施例2：

本实施例提供一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测系统，如图2所示，包括两个上述三分量收发探管以及设在两个三分量收发探管之间的控制探管；两个三分量收发探管分别为探管A和探管B，且探管A和探管B的探管参数不同，控制探管为探管C；探管A、探管C和探管B依次同轴连接；探管参数包括发射线圈匝数、接收线圈匝数、第一内骨架和第二内骨架长度、圆柱形铁氧体磁芯长度。探管参数还包括：外骨架外径、发射线圈线径、发射线圈匝数、中心内骨架尺寸、长方体形铁氧体磁芯尺寸、X、Y方向的水平分量接收线圈绕制层数、X、Y方向的水平分量接收线圈线径、X、Y方向的水平分量接收线圈匝数、第一内骨架和第二内骨架尺寸、圆柱形铁氧体磁芯尺寸、Z方向接收线圈线径和Z方向接收线圈匝数。

探管A包括圆筒形的外骨架A，在外骨架A外绕制发射线圈A且发射线圈A的轴心线为外骨架A中心轴线，还包括依次布设在外骨架A内的圆筒形的第一内骨架A、长方体形的中心内骨架A和圆筒形的第二内骨架A，第一内骨架A和第二内骨架A的轴向以及中心内骨架A的长边延伸方向均与外骨架轴向相同；在中心内骨架A内放置长方体形铁氧体磁芯A并在中心内骨架A外侧绕制有X方向的水平分量接收线圈A和Y方向的水平分量接收线圈A，在第一内骨架A和第二内骨架A内均放置圆柱形铁氧体磁芯A并在第一内骨架A和第二内骨架A外分别绕制Z方向接收线圈A且Z方向接收线圈A的轴心线为第一内骨架A和第二内骨架A中心轴线；X方向的水平分量接收线圈A、Y方向的水平分量接收线圈A和Z方向接收线圈A的轴心线相互垂直。

探管B包括圆筒形的外骨架B，在外骨架B外绕制发射线圈B且发射线圈B的轴心线为外骨架B中心轴线，还包括依次布设在外骨架B内的圆筒形的第一内骨架B、长方体形的中心内骨架B和圆筒形的第二内骨架B，第一内骨架B和第二内骨架B的轴向以及中心内骨架B的长边延伸方向均与外骨架轴向相同；在中心内骨架B内放置长方体形铁氧体磁芯B并在中心内骨架B外侧绕制有X方向的水平分量接收线圈B和Y方向的水平分量接收线圈B，在第一内骨架B和第二内骨架B内均放置圆柱形铁氧体磁芯B并在第一内骨架B和第二内骨架B外分别绕制Z方向接收线圈B且Z方向接收线圈B的轴心线为第一内骨架B和第二内骨架B中心轴线；X方向的水平分量接收线圈B、Y方向的水平分量接收线圈B和Z方向接收线圈B的轴心线相互垂直。

发射线圈A的匝数小于发射线圈B的匝数；Z方向接收线圈A的匝数小于Z方向接收线圈B的匝数；第一内骨架A和第二内骨架A的长度均小于第一内骨架B和第二内骨架B的长度；圆柱形铁氧体磁芯A的长度小于圆柱形铁氧体磁芯B的长度。

更具体的，在本实施例中，探管A包括圆筒形的外骨架A，外骨架A外径为50mm(不限于)，外侧以线径1mm(不限于)的漆包线绕制发射线圈A，发射线圈A绕制25匝(不限于)，发射线圈A中心法向为探管A延伸方向。在外骨架A内沿轴向依次布设有圆筒形的第一内骨架A、长方体形的中心内骨架A和圆筒形的第二内骨架A；长方体形的中心内骨架A尺寸22mm×22mm×602mm(不限于)，在中心内骨架A内部放置长方柱形铁氧体磁芯且其尺寸20mm×20mm×600mm(不限于)，在中心内骨架A外侧沿中心内骨架A长边方向以漆包线分别绕制X、Y方向的水平分量接收线圈A，可进行2层(不限于)绕制，使用线径0.1mm(不限于)的漆包线绕制640匝(不限于)。第一内骨架A和第二内骨架A的长度为均为162mm(不限于)，直径均为34mm(不限于)，在第一内骨架A和第二内骨架A内部分别放置圆柱形铁氧体磁芯，磁芯长度为160mm(不限于)，直径32mm(不限于)，在第一内骨架A和第二内骨架A外侧分别使用线径0.6mm(不限于)的漆包线绕制Z方向接收线圈A，接收线圈A中心法向为探管A延伸方向，2个接收线圈A匝数均为125匝(不限于)。

在本实施例中，探管B包括圆筒形的外骨架B，外径为50mm(不限于)，外侧以线径1mm(不限于)的漆包线绕制发射线圈B，绕制50匝(不限于)，发射线圈B中心法向为探管B延伸方向。在外骨架B内沿轴向依次布设有圆筒形的第一内骨架B、长方体形的中心内骨架B和圆筒形的第二内骨架B，中心内骨架B尺寸22mm×22mm×602mm(不限于)，在中心内骨架B内部放置长方柱形铁氧体磁芯，尺寸20mm×20mm×600mm(不限于)，在中心内骨架B外侧沿骨架长边方向以漆包线分别绕制X、Y方向的水平分量接收线圈，可进行4层(不限于)绕制，使用线径0.1mm(不限于)的漆包线绕制640匝(不限于)。第一内骨架B和第二内骨架B的长度均为322mm(不限于)，直径均为34mm(不限于)，在第一内骨架B和第二内骨架B内部分别放置圆柱形铁氧体磁芯，磁芯长度为320mm(不限于)，直径32mm(不限于)，在第一内骨架B和第二内骨架B外侧分别使用线径0.6mm(不限于)的漆包线绕制Z方向接收线圈B，接收线圈B中心法向为探管B延伸方向，2个接收线圈B匝数均为500匝(不限于)。

在探管A和探管B之间以控制探管C连接，探管C长度为1节钻杆长度(不限于)，便于控制探管A和探管B前后两次能位于同一个观测点位。

控制探管中布设有电池、控制电路、发射电路、采集电路和存储设备等。电池用以给整个观测系统供电；控制电路用以控制探管A和探管B的工作时序；发射电路用以控制探管A和探管B的发射线圈发射参数，探管A发射的方波电流频率比探管B发射的方波电流频率高，探管A发射电流小于探管B发射电流；采集电路用以接收和转换探管A和探管B的接收线圈接收参数，探管A接收时间比探管B接收时间短；存储设备用以存储探管A和探管B的所有测量参数及实测感应电动势；本实施方式中，探管A探测近区，探管B探测远区。探管A探测近区为0-30m径向探测距离，探管B探测远区为30-60m径向探测距离，在其他实施方式中，根据地质参数不同，径向探测距离有所不同。控制电路、发射电路和采集电路之间通过高温导线相互连接，采集电路通过板内SPI串行总线将采集数据写入存储设备；发射线圈通过漆包铜线与发射电路连接，X方向的水平分量接收线圈、Y方向的水平分量接收线圈及Z方向接收线圈均通过漆包铜线与采集电路连接。

在本实施例中，探管C中电池经过降压、限流保护电路处理后隔离输出两路本安电源，分别为发射电路和采集电路供电。

发射电路接收控制电路提供的双极性脉冲方波信号经过隔离驱动后通过全桥电路输出，实现瞬变电磁一次场的激励构建。

采集电路包括MCU控制单元、三通道24位(不限于)AD模数转换单元、信号调理滤波单元及控制时序输出单元，其功能是通过三分量线圈接收来自感应涡流产生的二次场信号，该二次场信号经过放大滤波等信号调理以后各自送入对应通道的AD模数转换电路，完成转换的数据实时叠加运算处理后存入存储设备中。

存储设备采用64GB(不限于)高速SD数据卡作为观测系统采集处理数据存储介质，与MCU控制单元之间通过高速串口完成数据通信，数据需要读取时，可通过USB2.0接口访问该存储器设备，将数据传输至本地计算机保存为数据文件。

电池负责给整个观测系统供电，观测系统电池由单节电芯经过串并组合方式后形成电池组作为其供电电源，发射电路和控制采集电路各自采用独立电池组供电，发射电路电源电池容量10Ah(不限于)，两种发射参数装置平均等效发射电流1.5A(不限于)，按照占空比50％(不限于)计算等效发射电流为0.75A(不限于)，因此工作时间计算为(10Ah/0.75A)*0.9＝12h，接收控制采集电路工作电流400mA(不限于)，电池容量5Ah(不限于)，因此工作时间为(5Ah/0.4A)*0.9＝11.25h，观测系统总体工作时间不低于10小时。

在探管A前端设有锥形头，便于钻机推送，保障前面不会被孔壁突出的石块或泥挡住。

实施例3：

本实施例提供一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测方法，该方法采用上述观测系统进行探测观测，从孔口至孔底的观测点位依次为观测点位0、观测点位1、观测点位2、…、观测点位n，n为孔底观测点位；该方法具体包括以下步骤：

步骤一，首先探管A移动至观测点位1，此时探管B位于观测点位0，探管A开始在观测点位1进行发射和接收，完成后探管B在观测点位0进行发射和接收；

步骤二，随后探管A和探管B沿钻孔继续向前移动，探管A移动至观测点位2，此时探管B位于观测点位1，探管A开始在观测点位2进行发射和接收，完成后探管B在观测点位1进行发射和接收；

步骤三，依次向孔底方向移动探管A和探管B并在每个观测点位重复上述观测方式直至孔底；

步骤四，将探管A和探管B的所有测量参数及实测感应电动势存至存储设备完成钻孔瞬变电磁径向远距离探测。测量参数包括线圈电线线径、线圈匝数、线圈绕制半径、发射电流强度、磁芯长度、线圈绕制层数、线圈绕制边长、磁芯厚度。

在本实施例中，控制电路控制探管A和探管B的工作时序，控制电路控制探管A先工作，探管B后工作。如图3所示，首先探管A移动至观测点位1，此时探管B位于观测点位0，探管A开始在观测点位1进行发射和接收，完成后探管B在观测点位0进行发射和接收；随后探管A和探管B沿钻孔继续向前移动，探管A移动至观测点位2，此时探管B位于观测点位1，探管A开始在观测点位2进行发射和接收，完成后探管B在观测点位1进行发射和接收，移动探管A和探管B并重复该观测方式直至孔底。

发射电路控制探管A和探管B的发射线圈发射参数。探管A主要探测钻孔径向近区，发射的方波电流频率较高，可设为25Hz-6.25Hz(不限于)，发射电流强度较小，可设为0.8A(不限于)；探管B主要探测钻孔径向远区，发射的方波电流频率较低，可设为2.5Hz-0.625Hz(不限于)，发射电流强度较大，可设为2A(不限于)。

采集电路控制探管A和探管B的接收线圈接收参数。探管A主要探测钻孔径向近区，接收时间域发射频率相对应，较短，当发射频率为25Hz时，为10ms；探管B主要探测钻孔径向远区，接收时间域发射频率相对应，较长，当发射频率为0.625Hz时，为400ms；叠加次数可设在50-500次之间(不限于)。

存储设备存储探管A和探管B的所有与测量有关的参数及实测的感应电动势数值。主要包括发射线圈线径、匝数、线圈半径、发射电流强度，接收线圈线径、匝数、线圈半径、线圈边长、线圈层数、磁芯长度，叠加次数、采样频率等，以及测点编号、测线编号、发射频率、采样时间、感应电动势等信息。

如图4所示，为探管A与探管B观测数据曲线对比图，其中横坐标为采样时间，纵坐标为感应电动势，根据曲线可以计算得到钻孔半径方向的电阻率，A曲线早期信号稳定可靠，晚期信号有干扰，只能计算得到浅部电阻率，即探管A探测近区，B曲线早期信号饱和、畸变，晚期信号稳定可靠，只能计算得到深部电阻率，即探管B探测远区。

实施例4：

一种钻孔瞬变电磁径向远距离探测观测数据处理方法，采集完成后，将探管A和探管B实测数据导入计算机中，依据探管A和探管B的测量参数对探管A和探管B的实测感应电动势均按照如下公式进行归一化：

(1)和(2)式中，

V表示感应电动势，V

a表示电线线径，a

n表示线圈匝数，n

r

I表示发射电流强度；

L

c表示X或Y方向的水平分量接收线圈绕制层数；

l表示X或Y方向的水平分量接收线圈绕制边长，l

H

对上述归一化后的数据进行观测点位校准和拼接，获取该观测点位长时间连续稳定观测数据。对归一化后的数据进行观测点位校准和拼接包括：对同一观测点位数据，剔除探管A晚期不稳定段数据，剔除探管B早期饱和段数据，之后对两组数据进行拼接，获取该观测点位长时间连续稳定观测数据。

本实施例中，对探管A数据和探管B分别归一化后的数据进行测量点位校准，对同一点位数据，剔除探管A晚期不稳定段如20ms后(不限于)数据，剔除探管B早期饱和段如20ms前(不限于)数据，之后对两组数据进行拼接，获取该测量点位长时间连续稳定观测数据，形成从远到近的全域探测，如图5所示。

本发明中，探管A能探测0-30m径向探测距离，探管B能探测30-60m径向探测距离。