地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法技术

本发明专利技术公开了地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，首先在勘探区进行三维地震勘探、地面和地巷瞬变电磁法数据采集，对三维地震勘探数据进行波阻抗反演；结合电阻率测井资料和波阻抗反演结果，构建煤系地层三维地电模型；采用Tetgen/Gmsh等开源程序对三维地电模型进行非结构四面体网格剖分；对网格剖分文件进行地面和地巷瞬变电磁联合约束反演，对于地震反演结果具有同一属性的岩层或隐蔽地质体作为同一电性单元进行反演，通过CPU并行以及降低反演过程中的雅可比矩阵维度提高反演速度，反演结果既保持了地震勘探的分辨能力，又保留了地面和地巷瞬变电磁法对电性体的灵敏度，可规避由于岩性本身电性引起的低电阻率假异常。电阻率假异常。电阻率假异常。

【技术实现步骤摘要】
地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法


[0001]本专利技术涉及煤系地层电性界面识别领域，具体涉及地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法。

技术介绍

[0002]当前，用于探测煤炭隐蔽突水致灾源的地球物理方法主要有直流电法和瞬变电磁法等。直流电法经过数十年的发展，已发展出多种观测方式，如矿井音频电透视、三点三极超前探测、矿井直流电测深等，具有较强的抗干扰和穿透能力，但其施工效率较低、劳动强度大，尤其井下通讯等问题，限制了该方法的应用。鉴于瞬变电磁法施工方便、对低阻体响应灵敏等特点，已成为各煤炭较为流行的隐蔽突水致灾源探测方法，尤其是矿井瞬变电磁法。
[0003]虽然瞬变电磁法已广泛应用于煤炭隐蔽突水致灾源的探测，但受井下巷道空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射线圈一般采用多匝小回线，发射能量有限，其探测范围一般在百米以内，同时盲区范围较大。地面瞬变电磁法的发射源和接收点与存在于煤层顶、底板以及工作面内部的隐蔽突水致灾源距离较远，深部目标体探测能力有限。基于以上因素，刘树才、姜志海等于2011年开始进行地巷(地面
‑
巷道)瞬变电磁法的研究，该方法结合地面瞬变电磁法发射源不受空间限制的优点以及矿井瞬变电磁法接收线圈与目标较近的特点，实现地面发射，巷道内接收的立体式观测系统，以此提高煤炭瞬变电磁法的探测深度和对目标体的响应能力。由于接收点位于巷道内，受全空间的影响比在地面接收严重，因此地巷瞬变电磁法对上方异常体的纵向定位能力比地面瞬变电磁法弱。经过多年的发展，地巷瞬变电磁法已经在多个矿区进行试验与生产，效果显著。另外，由于瞬变电磁法基于Maxwell方程组扩散场为基本原理进行地质信息探测，故分辨率不会太高，探测结果存在空间范围精度低、多解性强等问题，对煤岩层以及隐蔽地质构造的边界划分不准，同时通过电阻率进行地质构造或采空区导含水的判定，容易忽略由于岩性本身引起的低电阻率，造成煤矿防治水成本增加。
[0004]经大量文献收集以及与多方单位的沟通可知，近十多年来，我国煤炭普遍开展了采区高精度三维地震勘探，在采区小构造的探测方面取得了显著成果。地震勘探技术基于岩石弹性力学性质的差异，激发并观测弹性波在岩石中的传播规律进行勘探，具有较高的垂向和横向分辨率，在划分地层和小构造时具有较高的分辨能力。但岩石的弹性参数与其含水性相关度不高，因此利用地震勘探进行岩层富水区探测相对困难，无法识别煤系地层电性分界面，尽管也有多个矿区进行过三维地震对隐蔽突水致灾源探测应用，但效果不太理想。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，通过地震波阻抗反演结果建立地球物理电性模型，以此模型作为
地面和地巷瞬变电磁法联合反演解释的初始模型，进行带有模型层边界的约束反演，能够精细探测煤矿隐蔽地质体的赋水性和边界，降低煤矿防治水成本。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，包括以下步骤：
[0008](1)在探测区域布设一个矩形发射回线，并与发电机和方波发射设备通过导线相连接；
[0009](2)在探测区地表和井下巷道内分别布设三分量接收探头，所述三分量接收探头连接有接收机，所述接收机与步骤(1)中的方波发射设备同步设置用于在地表和巷道内同时接收电磁信号；
[0010](3)在探测区内打孔放置炸药震源，所述炸药震源与震源车电性连接；
[0011](4)布置检波器于探测区地表，由震源车控制炸药震源激发地震波，地震波激发后利用检波器以及三分量接收探头进行数据记录；
[0012](5)利用步骤(4)检测的数据进行地震波阻抗反演，得到波阻抗反演数据体，将地震反演结果由二进制文件转换成十进制，采用MATLAB/Python语言将其转换至三维数据空间；
[0013](6)利用步骤(5)得到的三维数据空间以及电阻率测井资料构建地球物理电性模型，并进行非结构四面体网格剖分；
[0014](7)通过CPU并行和降低雅各比矩阵维度的方式提高反演速度，以地电模型同一属性岩层作为反演中的一个单元进行基于有限单元法的地面和地巷瞬变电磁法联合反演，反演结果以地震波阻抗反演为基准模型，只改变岩层、隐蔽地质体的电阻率实现煤系地层地电界面的精细识别。
[0015]优选地，所述接收机通过GPS、石英钟或晶振与方波发射设备同步。
[0016]优选地，所述地震波阻抗反演时采用Geoview三维反演软件。
[0017]优选地，步骤(7)中每个反演中的单元均包括若干个非结构四面体网格。
[0018]优选地，所述矩形发射回线布设于探测区域地表位置，回线边长等于探测深度，再地表和巷道内同时进行观测。
[0019]优选地，所述步骤(6)中采用Tetgen/Gmsh开源程序对构建地球物理电性模型进行非结构四面体网格剖分。
[0020]本专利技术的有益效果在于：
[0021]本专利技术通过地震波阻抗反演结果建立地球物理电性模型，以此模型作为地面和地巷瞬变电磁法联合反演解释的初始模型，通过CPU并行以及降低雅可比矩阵维度的方式提高反演速度，进行带有模型层边界的联合约束反演，能够精细探测煤矿隐蔽地质体的赋水性和边界，降低煤矿防治水成本。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为地面和地巷瞬变电磁法观测系统；
[0024]图2为煤系地层电性界面精细识别方法基本流程；图3为串行与并行运算示意图；图4为雅可比矩阵计算示意图。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]如图1至图2所示，本实施例提供一种地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，包括以下步骤：
[0027](1)在探测区域布设一个矩形发射回线，并与发电机和方波发射设备通过导线相连接；
[0028](2)在探测区地表和井下巷道内分别布设三分量接收探头，所述三分量接收探头连接有接收机，所述接收机与步骤(1)中的方波发射设备同步设置用于在地表和巷道内同时接收电磁信号；
[0029](3)在探测区内打孔放置炸药震源，所述炸药震源与震源车电性连接；
[0030](4)布置检波器于探测区地表，由震源车控制炸药震源激发地震波，地震波激发后利本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在探测区域布设一个矩形发射回线，并与发电机和方波发射设备通过导线相连接；(2)在探测区地表和井下巷道内分别布设三分量接收探头，所述三分量接收探头连接有接收机，所述接收机与步骤(1)中的方波发射设备同步设置用于在地表和巷道内同时接收电磁信号；(3)在探测区内打孔放置炸药震源，所述炸药震源与震源车电性连接；(4)布置检波器于探测区地表，由震源车控制炸药震源激发地震波，地震波激发后利用检波器以及三分量接收探头进行数据记录；(5)利用步骤(4)检测的数据进行地震波阻抗反演，得到波阻抗反演数据体，将地震反演结果由二进制文件转换成十进制，采用MATLAB/Python语言将其转换至三维数据空间；(6)利用步骤(5)得到的三维数据空间以及电阻率测井数据构建地球物理电性模型，并进行非结构四面体网格剖分；(7)通过CPU并行和降低雅各比矩阵维度的方式提高反演速度，以地电模型同一属性岩层作为反演中的一个单元进行基于有限单元法的地面和地巷瞬...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毛飞，姜志海，刘树才，童雪瑞，陈尚斌，何治隆，刘成，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：