一种掘进巷道智能化瞬变电磁探测与实时预警方法
阅读说明：本技术 一种掘进巷道智能化瞬变电磁探测与实时预警方法 (Intelligent transient electromagnetic detection and real-time early warning method for excavation roadway ) 是由 王勃 黄兰英 李兴兴 吕宪状 王一帆 王刚 胡思源 陈泓云 曾林峰 李韵晨 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种掘进巷道智能化瞬变电磁探测与实时预警方法,采用便捷式瞬变电磁探测设备在间歇期对当前的巷道迎头位置及两侧帮进行探测,并将探测数据传至地面的计算机；进而生成本次探测获得的视电阻率断面图；根据视电阻率值R的分布情况对视电阻率断面图进行危险区域划分；当掘进机再次进入间歇期,此时重复上述过程,得到本次探测的视电阻率断面图,将本次视电阻率断面图与上一次获得的视电阻率断面图进行合成分析,最终获得合成后的视电阻率断面图；如此重复多次,最后将每个间歇期获得的视电阻率断面图及其划分的每个区域的危险等级导入模型对应位置进行实时显示及更新；从而对巷道掘进过程中迎头前方异常地质构造进行实时预警。(The invention discloses an intelligent transient electromagnetic detection and real-time early warning method for a driving tunnel, which adopts portable transient electromagnetic detection equipment to detect the head position and two side walls of the current tunnel in an intermittent period and transmits detection data to a computer on the ground; further generating an apparent resistivity section diagram obtained by the current detection; according to the distribution condition of the apparent resistivity value R, carrying out dangerous area division on the apparent resistivity profile; when the heading machine enters the intermittent period again, repeating the processes to obtain the apparent resistivity section diagram of the current detection, and performing synthesis analysis on the apparent resistivity section diagram of the current detection and the apparent resistivity section diagram obtained last time to finally obtain a synthesized apparent resistivity section diagram; repeating the steps for multiple times, and finally importing the apparent resistivity section diagram obtained in each intermission period and the risk level of each divided area into the corresponding position of the model for real-time display and update; therefore, real-time early warning is carried out on the abnormal geological structure in the head-on front in the tunneling process of the roadway.)
技术领域
本发明涉及一种矿井地球物理探测方法，具体是一种掘进巷道智能化瞬变电磁探测与实时预警方法。
背景技术
现有正在使用的煤矿中，为保证巷道安全掘进、预防水害事故的发生，必须做好巷道掘进头前方超前探测工作。矿井瞬变电磁法因具有对低阻体反应敏感、多匝小回线装置轻便高效的优点，被广泛用于煤矿掘进超前探测过程中。
对于已有的瞬变电磁超前探测技术，瞬变电磁超前探测需要物探人员携带设备进入迎头进行探测，每次探测完成后将数据传输到地面，然后在地面上进行人工数据处理。而对于正在掘进的迎头，随着巷道不断掘进，物探人员需多次重复进场，耗时费力，严重影响掘进效率。并且每次探测解释近百米的范围且多次探测结果缺乏联合对比分析，导致不同次探测结果关联性较差。并且，解释分析结果无法实时反馈给现场，最终导致在实际工作中对巷道掘进方向工作指导性不强。因此如何提供一种方法，能使得探测结果能够实时反馈给现场且每次探测能够进行对比与优化更新，最终有效保证探测的实时性和准确性，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种掘进巷道智能化瞬变电磁探测与实时预警方法，能使得探测结果能够实时反馈给现场且每次探测能够进行对比与优化更新，最终有效保证探测的实时性和准确性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种掘进巷道智能化瞬变电磁探测与实时预警方法，具体步骤为：
步骤一、在掘进机在巷道掘进过程中由掘进期和间歇期交替循环组成，在每次间歇期间，掘进人员将放置于掘进机上的便捷式瞬变电磁探测设备取下，然后将便捷式瞬变电磁探测设备的线圈正面朝向巷道一侧帮，并展开后固定在巷道的迎头位置；
步骤二、将掘进机相对迎头后退一定距离，防止掘进机对探测结果产生严重干扰；
步骤三、打开便捷式瞬变电磁探测设备开始对线圈正面朝向的一侧帮进行一次瞬变电磁探测，完成后使便捷式瞬变电磁探测设备的线圈正面朝向以垂直于巷道顶底板的方向为轴旋转15°再完成一次瞬变电磁探测，如此重复，每旋转15°探测一次，直至线圈正面朝向旋转180°后，使线圈正面朝向从巷道一侧帮经过巷道迎头前方后到达巷道另一侧帮，完成整个探测过程；
步骤四、便捷式瞬变电磁探测设备将整个探测过程中每次探测所得的瞬变电磁二次感应电动势数据，通过井下的通信网络传至地面的计算机保存；
步骤五、计算机通过调用数据库中的软件对探测数据进行自动处理，并生成图像；具体自动处理过程包括数据读取及格式转换、数据处理及多测道提取、视电阻率计算及时深反演、最后校正并生成视电阻率断面图，并将视电阻率断面图存储在数据库并在计算机的显示屏上显示；其中视电阻率计算公式为：
式中：k为矫正系数，根据探测现场环境复杂程度决定，取值范围1.0至1.5；
μ为磁导率；
N为线圈匝数；
I为供电电流；
S为接收线圈的等效面积；
Sf为发射线圈的面积；
为感应电动势；
t为观测时间；
步骤六、根据视电阻率值R的分布情况对视电阻率断面图进行危险区域划分，并确定每个区域的危险等级，分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级；其中具体每个区域危险等级划分标准为：
设Rmax为视电阻率断面图中的最大视电阻率值，Rmin为视电阻率断面图中的最小视电阻率值；
若当前区域内R≤0.2(Rmax-Rmin)+Rmin，则确定该区域为Ⅰ级，即危险区域；
若当前区域内0.2(Rmax-Rmin)+Rmin≤R≤0.5(Rmax-Rmin)+Rmin，则确定该区域为Ⅱ级，即可疑区域；
若当前区域内R≥0.5(Rmax-Rmin)+Rmin，则确定该区域为Ⅲ级，即安全区域；
步骤七、完成该间歇期的探测分析后，掘进机继续进入掘进期掘进30～50m，然后再次进入间歇期，此时重复步骤一至五，得到本次探测的视电阻率断面图，将本次视电阻率断面图与上一次获得的视电阻率断面图进行网格位置匹配合成分析，取两者每个对应区域阻值的平均值作为合成后每个对应区域的阻值，最终获得合成后的视电阻率断面图；将合成后的视电阻率断面图重复步骤六进行危险区域划分，并确定每个区域的危险等级；如此重复，能在每次间歇期对掘进迎头进行一次瞬变电磁探测，每探测一次对断面图中各个区域的阻值优化一次，各个区域的危险等级随之更新；随着探测次数增加，使各个区域划分的危险等级更加可信，对实际危险区域的探测位置更加精确；
步骤八、利用GIS构建井下三维地理信息空间模型，将步骤七每个间歇期获得的视电阻率断面图及其划分的每个区域的危险等级导入模型对应位置进行实时显示及更新，从而根据各个区域的危险等级情况对单条巷道掘进过程中迎头前方异常地质构造进行实时预警。
进一步，若存在多条巷道同时掘进的情况，则分别对每条巷道均重复步骤一至八，综合每条巷道掘进迎头前方各个区域的危险等级情况进行相互对比分析，从而能得到更大范围内的地质视电阻率信息，使得探测叠加区域更大，最终保证对每条巷道掘进迎头前方异常地质构造的探测精度及实时性。
与现有技术相比，本发明采用便捷式瞬变电磁探测设备在巷道掘进的间歇期对当前的巷道迎头位置及两侧帮进行一次旋转180°的探测；完成后将探测所得的瞬变电磁二次感应电动势数据，通过通信网络传至地面的计算机；计算机通过调用数据库中的软件对探测数据进行自动处理，并生成本次探测获得的视电阻率断面图；根据视电阻率值R的分布情况，按照设定的划分标准对视电阻率断面图进行危险区域划分，并确定每个区域的危险等级；完成该间歇期的探测分析后，掘进机进入掘进期后再次进入间歇期，此时重复上述过程，得到本次探测的视电阻率断面图，将本次视电阻率断面图与上一次获得的视电阻率断面图进行合成分析，最终获得合成后的视电阻率断面图；如此重复，能在每次间歇期对掘进迎头进行一次瞬变电磁探测，每探测一次对断面图中各个区域的阻值优化一次，各个区域的危险等级随之更新；随着探测次数增加，使各个区域划分的危险等级更加可信，对实际危险区域的探测位置更加精确；最后计算机利用GIS构建井下三维地理信息空间模型，并将每个间歇期获得的视电阻率断面图及其划分的每个区域的危险等级导入模型对应位置进行实时显示及更新；从而根据各个区域的危险等级情况对单条巷道掘进过程中迎头前方异常地质构造进行实时预警，最终有效保证探测的实时性和准确性。
附图说明
图1是本发明中便捷式瞬变电磁探测设备使用时的位置布设图。
图2是本发明中划分危险区域后的视电阻率断面图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
步骤一、在掘进机在巷道掘进过程中由掘进期和间歇期交替循环组成，在每次间歇期间，掘进人员将放置于掘进机上的便捷式瞬变电磁探测设备取下，然后将便捷式瞬变电磁探测设备的线圈正面朝向巷道一侧帮，并展开后固定在巷道的迎头位置；
步骤二、将掘进机相对迎头后退一定距离，防止掘进机对探测结果产生严重干扰；
步骤三、打开便捷式瞬变电磁探测设备开始对线圈正面朝向的一侧帮进行一次瞬变电磁探测，完成后使便捷式瞬变电磁探测设备的线圈正面朝向以垂直于巷道顶底板的方向为轴旋转15°再完成一次瞬变电磁探测，如此重复，每旋转15°探测一次，直至线圈正面朝向旋转180°后，使线圈正面朝向从巷道一侧帮经过巷道迎头前方后到达巷道另一侧帮，完成整个探测过程；
步骤四、便捷式瞬变电磁探测设备将整个探测过程中每次探测所得的瞬变电磁二次感应电动势数据，通过井下的通信网络传至地面的计算机保存；
步骤五、计算机通过调用数据库中的软件对探测数据进行自动处理，并生成图像；具体自动处理过程包括数据读取及格式转换、数据处理及多测道提取、视电阻率计算及时深反演、最后校正并生成视电阻率断面图，并将视电阻率断面图存储在数据库并在计算机的显示屏上显示；其中视电阻率计算公式为：
式中：k为矫正系数，根据探测现场环境复杂程度决定，取值范围1.0至1.5；
μ为磁导率；
N为线圈匝数；
I为供电电流；
S为接收线圈的等效面积；
Sf为发射线圈的面积；
为感应电动势；
t为观测时间；
步骤六、根据视电阻率值R的分布情况对视电阻率断面图进行危险区域划分，并确定每个区域的危险等级，分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，如图2所示；其中具体每个区域危险等级划分标准为：
设Rmax为视电阻率断面图中的最大视电阻率值，Rmin为视电阻率断面图中的最小视电阻率值；
若当前区域内R≤0.2(Rmax-Rmin)+Rmin，则确定该区域为Ⅰ级，即危险区域；
若当前区域内0.2(Rmax-Rmin)+Rmin≤R≤0.5(Rmax-Rmin)+Rmin，则确定该区域为Ⅱ级，即可疑区域；
若当前区域内R≥0.5(Rmax-Rmin)+Rmin，则确定该区域为Ⅲ级，即安全区域；
步骤七、完成该间歇期的探测分析后，掘进机继续进入掘进期掘进30～50m，然后再次进入间歇期，此时重复步骤一至五，得到本次探测的视电阻率断面图，将本次视电阻率断面图与上一次获得的视电阻率断面图进行网格位置匹配合成分析，取两者每个对应区域阻值的平均值作为合成后每个对应区域的阻值，最终获得合成后的视电阻率断面图；将合成后的视电阻率断面图重复步骤六进行危险区域划分，并确定每个区域的危险等级；如此重复，能在每次间歇期对掘进迎头进行一次瞬变电磁探测，每探测一次对断面图中各个区域的阻值优化一次，各个区域的危险等级随之更新；随着探测次数增加，使各个区域划分的危险等级更加可信，对实际危险区域的探测位置更加精确；
步骤八、利用GIS构建井下三维地理信息空间模型，将步骤七每个间歇期获得的视电阻率断面图及其划分的每个区域的危险等级导入模型对应位置进行实时显示及更新，从而根据各个区域的危险等级情况对单条巷道掘进过程中迎头前方异常地质构造进行实时预警。
作为本发明的一种改进，若存在多条巷道朝向相同或不同方向同时掘进的情况，则分别对每条巷道均重复步骤一至八，综合每条巷道掘进迎头前方各个区域的危险等级情况进行相互对比分析，从而能得到更大范围内的地质视电阻率信息，使得探测叠加区域更大，最终保证对每条巷道掘进迎头前方异常地质构造的探测精度及实时性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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