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中国矿井物探网 - 物探技术 - YCS512矿用本安型探水仪水仓实验效果评价
YCS512矿用本安型探水仪水仓实验效果评价
技术支持中心 骆彬
1 YCS512矿用本安型探水仪介绍
YCS512矿用本安型探水仪是由福州华虹智能科技股份有限公司在2008年推出国内第一款矿用瞬变电磁仪YCS40(A)以及2012年二代矿用本安型瞬变电磁YCS256基础上，研发出的第三代产品——矿用本安型探水仪，图1为YCS512矿用本安型探水仪系统组成图。
图1 YCS512矿用本安型探水仪系统组成图
YCS512矿用本安型探水仪相对于其他设备的改进及优点：
（1）极小盲区
通过改进系统关断时间、采用中心回线工作装置、全区视电阻率算法等创新性升级可实现5m，甚至小于5m的极小盲区效果。详细如下：
①关断时间改进：关断时间长，会导致接收信号中一次场信号与二次场信号的混叠。因此，在发射线圈参数的设计中，发射信号的关断时间是一个相当重要的参数。在瞬变电磁发射机中，发射信号关断时间toff与发射机的性能、发射线圈尺寸以及发射电流的大小等因素有关，具体可由下式计算：
（1）
式中，L为发射线圈的电感，R 为发射线圈的电阻，V 为线圈上的电压。
为了满足矿井瞬变电磁探测所需的探测深度，保证较大的发射磁矩，一方面应加大发射系统发射电流强度，另一方面应增加发射线圈匝数从而达到增加发射线圈等效面积的效果。两种增加发射磁矩的方式，都会增加发射电流波形的关断时间，而对瞬变电磁探测数据的解释造成一定影响。YCS512矿用本安型探水仪通过发射电流幅度限制在4.5A内，发射线圈匝数规定为10匝、20匝，发射电压3.2V，线圈在保证安全、轻便的条件下内阻相应大来减小关断时间，一定程度的减小盲区范围。
②中心回线装置：中心回线装置是重叠回线装置的升级，拥有重叠回线装置与目的物耦合最紧密、横向分辨率高、异常幅度大、形态简单、受旁侧影响小、测量时发射线圈逐测点移动、发射磁矩和接收磁矩较大等优点。同时，中心回线装置因为接收回线与发射回线分开，且接收回线边长小于发射回线，可降低线圈之间的互感，缩短二次场暂态过程时间，可一定程度的减小盲区范围。
③全区视电阻率算法：相较于晚期视电阻率算法更加精确，勘探盲区小；配合高密度时窗，可大大提高浅层地质分辨能力，对浅层低阻异常水体的圈定更加准确；由于井下只能采用的小回线装置，探测深度有限，且超前探测等技术更需获取浅部信息；因而对“盲区”信息的提取和计算要求更高，此时早期和暂态（过渡区）视电阻率的精确计算显得尤为重要。 鉴于在参考半空间全区视电阻率计算方法的基础上，通过大量实验研究分析得出全空间全区视电阻计算方法。图2为在井下干扰较小的条件下采集的数据，认为地质介质为均匀体，晚期算法在早中期与实际视电阻率相差较大，晚期基本一致；而全区算法获取的电阻率更接近“真”值。
图2 全区算法与晚期算法视电阻率对比图
（2）背景噪声调查功能的优化
背景噪声调查功能在YCS256矿用本安型瞬变电磁仪的原有调查噪声峰值基础上，升级至可分析频谱峰值电压，从而确定探测现场的电磁噪声干扰程度、主频等详细参数，可更有效评估所采集原始数据的质量，见图3和图4。
图3 YCS512噪声峰值调查
图4 YCS512频谱峰值调查
（3）支持现场解析
现场解析功能，除了提供常见的时间—电压图、测点—电压图、电阻率图、点化图等图形显示之外，可以在现场得到较为精细的视电阻率等值线成图结果；
（4）抗扰能力更强
系统嵌入专有的数字滤波算法和背景谱分析及制导选频等技术，实现现场工频干扰抑制，大幅度提高数据采集的质量和有效时长，在同场条件能有效提高地质测深能力。
（5）仪器分辨率更高
增益放大器扩展至8000倍，最小信号分辨率达2nV/A，对10-2uv等级微弱信号亦可有效分辨识别，信号采集范围更大。
YCS512矿用本安型探水仪主要应用范畴为：
a、探查采区主要控水构造及岩溶、裂隙发育带、陷落柱的位置，并对其富水性进行评价；
b、探查采煤工作面顶、底板岩层或掘进巷道前方隐伏导水通道和含水体的位置；
c、探查老窑采空区，圈定采空区积水范围；
d、防治水工程质量评价等等。
YCS512矿用本安型探水仪通过不断创新及实用性的改进，在其应用范畴内，可为煤矿生产过程中地质预测预报、防治水等工作，提供了强有力技术保障。
2 应用实例——鹤岗矿务局富力矿水仓探测
2.1地质概况
本次在富力矿-240南22层大巷，富力矿-240南22层大巷沿岩层走向布置，岩层以粗砂岩为主，走向近西北，倾角26°左右；大巷直接顶为页岩和砂质页岩互层，水平层理泥质胶结，顶板上部65m处为22煤层，煤厚6m，以1/3JM为主；直接底主要以砂岩为主，自上而下为4.7m粗砂岩、6m细砂岩、21.5m粗砂岩、0.3m煤线、4.6m细砂岩、28.3m粗砂岩、1.0m 23煤层、24.6m细砂岩，层理、节理中等发育。
本次探测的主要是任务是对-310水仓的富水情况进行探测分析，该水仓分一号、二号、三号、四号仓，且四个仓均处于充水状态；现场数据采集工作于2014年3月2日。
2.2 现场布置与数据采集
2.2.1 现场布置
根据探测任务和现场实际情况，本次数据采集在龙煤鹤岗富力煤矿 -240南22层大巷进行，共布置20个测点，相邻测点间距为5m，测线长95m，每个测点采集2组数据；探测位置起始点为-238.0T点前46m，探测方向是垂直底板；测线布置如图5。现场探测时，巷道左帮靠顶板位置有电缆，右帮腰线位置有风水管，底板靠巷道左帮位置有铁轨，见图6巷道断面示意。
图5 -240南22层大巷测线布置图
图6 -240南22层大巷断面图
2.2.2 数据质量分析
（1）现场探测条件
巷道为锚喷支护，底板为砂岩，巷道宽4.3m，高3.5m；巷道底板中间有轨道，右帮有水管、风管，左帮有电缆，无通电；探测时接收发射线圈在有铁轨、风管，水管等时离开20cm左右，2#测点地面有少量积水。
（2）噪声干扰分析
本次探测应用YCS512矿用本安型探水仪背景噪声调查功能，调查结果为：不接线圈噪声峰值为正0uv、负56uv，频谱分析的噪声主频值为1uv、496Hz；接线圈噪声峰值为正0uv、负81uv，频谱分析的噪声主频值为5uv、50Hz。
噪声分析结果，YCS512仪器主机调查的电压正峰值在0uv，负峰值在81uv以下，频谱分析噪声主频峰值小于5uv、频率为50Hz。现场测试时无动力电，推测50Hz主频的电磁噪声干扰应该为附近其他巷照明电所致，现场测试时整体电磁噪声干扰较小，初步评判数据质量好。
（3）数据重复性分析
通过分析图7中每测点所采集的2组数据衰减趋势一致性好，数据重复性好，仪器稳定性好，数据采集质量相对良好；
综合噪声分析和信号重复性分析，并结合现场探测条件记录情况，本次采集的数据信号质量为优。
图7 测点1#～20#电位衰减曲线
2.2.3 数据处理及结果解析
本次探水仪探测数据处理采用YCS512矿用本安型探水仪配套的处理软件YCS512 setup-3.2.0.0，其处理主要流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算全区视电阻率—正反演计算—结果成图。
软件将YCS512矿用本安型探水仪下位机bin格式文件经上位机软件转化成TEM格式数据，可得采集的原始数据多测道电压剖面，如图8。
图8 多测道电压剖面
数据经处理，获得本次探测的巷道底板视电阻率拟断面图9，图中不同的颜色代表不同的视电阻率值，颜色由冷色调到暖色调说明阻值从小变大的趋势；一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化，但如果岩石出现裂隙或者充水，那么岩石的电阻率就会发生大的变化，水仓在充水状态下相对巷壁属于低阻体。本次探测结果共圈定4个相对低阻异常区，分别为1#～4#，详细见图9。分析图9，可得本次探测YCS512矿用本安型探水仪显示的盲区范围仅为5m左右，本次探测对小盲区的体现效果较好。
图9 视电阻率拟断面图
通过分析图10可知，在探测位置垂直底板方向横向20m左右（1#异常区）、45m左右（2#异常区）、60m左右（3#异常区）、80m左右（4#异常区）分别与巷道底板下得1号仓、2号仓、3号仓、4号仓相对应，详细见图10中圈定的红色圆位置，探测结果与实际情况吻合。
图10 探测结果与实际结果对照图
3 应用效果评价
通过对本次YCS512矿用本安型探水仪的应用过程、应用效果综合分析可得如下评价：
（1）YCS512矿用本安型探水仪相对其他的瞬变电磁仪在小盲区效果体现上，优势明显，可将盲区控制在5m左右；
（2）YCS512矿用本安型探水仪的“背景调查”功能模块，可更精确地评测现场噪声环境，对所采集原始数据信号的质量的评判起到很好的指导作用，进而可初步评估探测效果的好坏；
（3）通过数据的重复性分析，体现了YCS512矿用本安型探水仪的信噪比高的特点。
作者简介：
骆彬，男，安徽理工大学地球与环境学院，地质工程专业，技术支持中心产品
经理。
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添加日期：2014-6-5 浏览次数：4961
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