一种金属矿采空区探测方法

摘要

本发明为金属矿采空区探测方法，包括：a.在测区内选定测点，编码1～n，b.调节发射机的参数，调节接收机包括设定接收信号的衰减幅度；c.发射机向发射线圈发出幅值为V的双极性矩形脉冲信号，在地下经过一次场到二次场的转变，由接收机接收到接收线圈中的二次场信号并进行数据记录和处理，完成单点单电压等级的测量；d.在1号点的位置上，改变发射电压，完成1号点的多电压等级测量，再将对2号点重复上述过程，完成2号点的多电压等级测量，依次完成1～n号点的多电压等级测量。e.进行数据处理，通过发现同期数据的异常来得出地下采空区的位置。该方法在保证数据有效性的前提下可以实现以最短的死区时间完成最大深度的探测。

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，尤其涉及一种金属矿采空区探测方法。

背景技术

从20世纪中后期至今，我国基础建设不断开展，对金属矿产资源的需求和 使用一直处于快速增长阶段，目前我国有1万多座地下金属矿山，每年产出20 多亿吨矿石。然而金属矿产资源开采利用过后，由于地质条件的改变形成了大 量的采空区，大量采空区的存在使矿山开采条件恶化,地下岩体原有的力学平衡 被打破，随时可能发生位移、岩爆等事故；更严重的是采空区会被瓦斯、地下水 等充填,在未探明情况之前施工存在巨大的安全隐患。因此探测采空区一直是资 源勘探领域必须面对的难题。

现阶段，国内少有针对金属矿采空区的探测方法，一般是沿用煤矿采空区 传统的瞬变电磁法。瞬变电磁法是以电磁感应原理为基础，当发射线圈中的发 射电流突然降为零时，线圈周围会感应出一次场，一次场传播过程中会在地下 导电介质中产生涡旋电流，涡旋电流在变化过程中会向地表传播二次场，通过 对二次场进行接收和反演来判断地质异常体。在金属矿山中，由于地质体电阻 率低，地下会形成若干个不规则屏蔽层，必须采用大电流设计才能将信号穿透； 同时为了保证采空区的探测精度，必须采用小线圈设计。小线圈大电流的设计 必然导致线圈电感量大，这样就使得发射电流不能实现瞬间关断而是产生了一 段关断时间，这段时间内本就微弱的接收信号中又混入强发射信号，无法进行 分析反演，称为死区时间。死区时间过长使得该部分接收信号无法被有效利用， 进而导致采空区被漏报。因此需要进行重新设计才可应用于金属矿山。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种金属矿采空区探测方法,在保证 数据有效性的前提下可以实现以最短的死区时间完成最大深度的探测。

一种金属矿采空区探测方法，其特征在于，包括如下的步骤：

a.在测区内选定测点，编码1～n，以1号测点为中心在地上铺设发射线圈 和接收线圈，二者以重叠回线方式铺设；将发射机的发射端口与发射线圈相连 接，接收机的接收端口与接收线圈相连接，发射机的同步端口与接收机的同步 端口之间用同步信号线相连接；

b.调节发射机的参数包括：调节发射电压V，不同的电压可以达到不同的 发射深度；调节发射时间t1的长度，来控制发射波形的长短；调节延时时间t2 的长度，该参数决定着发射机能不能在合适的时间向接收机发出同步信号；调 节采集时间t4；调节接收机包括设定接收信号的衰减幅度；

c.发射机向发射线圈发出幅值为V的双极性矩形脉冲信号，在地下经过一 次场到二次场的转变，由接收机接收到接收线圈中的二次场信号并进行数据记 录和处理，完成单点单电压等级的测量；

d.在1号点的位置上，改变发射电压，重复上述b-c的过程，完成1号点的 多电压等级测量，再将对2号点重复上述过程，完成2号点的多电压等级测量， 依次完成1～n号点的多电压等级测量。

e.采集到的数据包括时间与电流绘制成函数曲线，进行数据处理包括：① 将1号点的若干组数据分不同时段进行截取，不同的电压用V1、V2……Vn来 表示，V1电压等级截取T1段时间数据，V2电压等级截取T2段时间数据，至 Vn电压等级截取Tn段时间数据，将截取后的各段数据进行归一化处理，拟合 成一条平滑曲线L1；②2号点的数据重复上述步骤，拟合成一条平滑曲线L2， 同样的，依次完成曲线L1～Ln的拟合；③将曲线L1～Ln在反演平台进行反演， 通过发现同期数据的异常来得出地下采空区的位置。

进一步地，所采用的发射机包括：

MCU，为控制核心；

波段开关组，与所述MCU连接用于进行参数设置；

储能电容，与MCU之间通过DC-DC升压电路连接后通过DC-DC升压电 路对储能电容充电至设置的电压值；

电压采集电路，连接在MCU与储能电容之间，采集储能电容的电压值并 传递至MCU；

IGBT桥路，与所述储能电容连接，并通过IGBT驱动电路在MCU的控制 下通断使储能电容向发射线圈发射交变双极性矩形脉冲。

进一步地，所采用的接收机包括：

衰减电路，与接收线圈连接，将接收线圈接收的信号按照衰减倍数调节；

波段开关，与所述衰减电路连接设定接收信号的衰减幅度；

PC机，依次通过AD采集电路以及调理电路与衰减电路连接，信号经调理 电路调节后，通过AD采集电路的转换传递至PC机，所述PC机与发射机连接 后接收发射机发出的同步信号，并对数据进行处理。

进一步地，步骤a)中通过网格划分等方法在测区内选定测点。

进一步地，波段开关组对MCU设定当次测量的相应参数，包括发射电压V、 发射时间t1、延时时间t2和采集时间t4。

进一步地，如果储能电容当前电压大于或等于MCU中设定的电压，则停 止充电，同时MCU通过控制IGBT桥路的通断来实现储能电容向发射线圈发射 双极性矩形脉冲。

进一步地，MCU的时序控制流程如下：

检测当前储能电容电压；

若储能电容电压小于设定值，则向DC-DC升压电源发出充电信号；

若储能电容电压大于等于设定值，则停止充电并控制IGBT桥路发射正向 电流脉冲，持续时间t1后停止发射，然后等待时间t2后向接收机发出同步信号， 同步信号时长t3为固定值，等待时间t4后检测当前储能电容电压；

若小于设定值则向DC-DC升压电路发出充电信号；

若大于等于设定值则停止充电，充电时间时长t5不固定；

控制IGBT桥路发射反向电流脉冲；

重复上述过程直至测量结束。

本发明是这样实现的，

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明方法建立在电磁感应原理 的基础上，通过发射不同电压等级脉冲进行多次测量，将采集到的数据进行分 段截取、归一化处理之后再进行反演分析，该方法在保证数据有效性的前提下 可以实现以最短的死区时间完成最大深度的探测。

通过控制储能电容的充放电，实现了野外条件下大功率信号的发射；通过 波段开关组来设置各种测量参数使得操作简单，提高了野外条件下仪器的可靠 性；该方法可以在野外条件下实现小线圈大功率发射，探测深度大、精度高、 可靠性强。该方法能实现对金属矿采空区进行有效探测，进而为矿区安全生产 提供保障。

附图说明

图1是本发明实施例提供的设备的模块结构框图；

图2是本发明实施例提供的MCU工作时序示意图；

图3是本发明实施例提供的多点测量流程示意图；

图4是本发明实施例提供的数据截取和拼接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明是这样实现的：一种金属矿采空区探测方法，采用的 探测装置包括发射机10、接收机17、发射线圈6和接收线圈7。发射机10包括 波段开关组1、MCU2、DC-DC升压电路3、储能电容4、IGBT桥路5、IGBT 驱动电路9以及电压采集电路8；波段开关组1与MCU2相连接进行参数设置， MCU2与IGBT驱动电路9相连，IGBT驱动电路9连接到IGBT桥路5控制其 通断，MCU2与DC-DC升压电路3相连，DC-DC升压电路3连接到储能电容 4对其充电，储能电容4通过电压采集电路8与MCU2相连接，同时储能电容4 与IGBT桥路5连接，IGBT桥路5的输出端与发射线圈6相连。

接收机17包括衰减电路12、调理电路13、AD采集电路14、平板PC机 16以及波段开关11；接收线圈7与衰减电路12相连接，衰减电路12的输出端 与调理电路13连接，同时衰减电路12与波段开关11相连，接收其衰减倍数指 令，调理电路13的输出端与AD采集电路14相连，AD采集电路14的输出端 通过串口15连接到平板PC机16进行数据处理，平板PC机16与发射机10的 MCU2连接用来接收其发出的同步信号。

具体工作过程包括如下步骤：

1)调节发射机10的波段开关组1对MCU2设定本次测量的相应参数，包括 发射电压V、发射时间t1、延时时间t2和采集时间t4等；调节接收机17上的 波段开关11来设定接收信号的衰减幅度；

2)MCU2控制DC-DC升压电路3对储能电容4充电，同时电压采集电路8 不断检测储能电容4的电压V1，并将其反馈到MCU2。如果当前电压小于1) 中设定的电压，即：V1＜V，则继续充电；

3)如果当前电压大于或等于1)中设定的电压，即：V1≥V，则停止充电， 同时MCU2通过控制IGBT驱动电路9来控制IGBT桥路5的通断，IGBT桥路 5作为开关型器件位于储能电容4和发射线圈6之间，MCU2通过控制IGBT桥 路5的通断使储能电容4向发射线圈6发射交变双极性矩形脉冲，幅值大小为 V，发射线圈6向地下发射一次场，一次场穿过探测区域的地质体，会产生电 流，当电流再次变化时就会产生二次场，此时MCU2向接收机17发出同步信 号；

4)二次场信号被接收线圈7捕捉到后传递到接收机17，在此会经过一系列 的处理，包括根据步骤1)中的设定通过信号衰减电路12、调理电路13、AD采 集电路14，最后通过串口15将数据传到平板PC机16，平板PC机16接收到 步骤3)中MCU2发出的同步信号后开始对串口15传来的数据进行记录，至此 完成单个测量点的单个电压等级测量；

如图2所示，此装置中MCU2是核心，精确控制各个模块协同工作，MUC2 时序控制流程如下：检测当前电容电压V1，若V1＜V，则向DC-DC升压电路 3发出充电信号，若V1≥V，则停止充电并控制IGBT桥路5发射正向电流脉 冲，持续时间t1后停止发射，再等待时间t2后向接收机17的平板PC16发出 同步信号，持续时间t3后停止发射，再等待时间t4后,检测当前电容电压V1， 若V1＜V，开始向DC—DC升压电路3发出充电信号，直至检测到V1≥V，则 停止充电并控制IGBT桥路5发射反向电流脉冲，重复上述过程直至探测结束。

通过上述的装置进行金属矿采空区探测方法，包括以下顺序和步骤：

a.通过网格划分等方法在测区内选定测点，编码1～n。以1号测点为中心 在地上铺设发射线圈6和接收线圈7，二者以重叠回线方式铺设。将发射机10 的发射端口与发射线圈6相连接，接收机17的接收端口与接收线圈7相连接， 发射机10的同步端口与接收机的同步端口之间用同步信号线相连接。

b.将发射机10上的波段开关组1分别调至合适的档位：(1)调节发射电 压V，不同的电压可以达到不同的发射深度；(2)调节发射时间t1的长度， 来控制发射波形的长短(3)调节延时时间t2的长度，该参数决定着MCU2能 不能在合适的时间向平板PC16发出同步信号；(4)调节采集时间t4，不同的 深度需相应的采集时间来确保数据的准确；调节接收机17上的波段开关11来 设定接收信号的衰减幅度，以免信号幅值过大损坏仪器。

c.接通电源，仪器开始工作。按照上文所述具体工作过程，发射机向发射 线圈发出幅值为V的双极性矩形脉冲信号，在地下经过一次场到二次场的转变， 由接收机接收到接收线圈中的二次场信号并进行数据记录和处理，至此完成单 点单电压等级的测量，关闭仪器。在此期间并不需要对仪器进行操作。

d.如图3所示，在1号点的位置上，改变波段开关组的发射电压及其他参 数，重复上述过程，完成1号点的多电压等级测量。再将仪器和线圈放到2号 点重复上述过程，完成2号点的多电压等级测量。同样的，一共完成1～n号点 的多电压等级测量。

e.如图4所示，采集到的数据以函数曲线形式呈现，tn表示Vn电压等级下 的死区时间，Tn表示Vn电压等级下的取样时间，电压等级越高，死区时间tn 越长。拿到各组数据之后由平板PC的数据处理平台进行数据处理：①将1号 点的若干组数据分不同时段进行截取，V1电压等级截取T1段数据，V2电压等 级截取T2段数据……Vn电压等级截取Tn段数据。再将截取后的各段数据进 行归一化处理，拟合成一条平滑曲线L1。②2号点的数据重复上述步骤，拟合 成一条平滑曲线L2，同样的，依次完成曲线L1～Ln的拟合。③将曲线L1～Ln 在反演平台进行反演，通过发现同期数据的异常来得出地下采空区的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。