一种煤炭地下气化广域电磁探测系统及方法与流程

本发明涉及地球物理探测与煤炭地下气化监测，尤其涉及一种煤炭地下气化广域电磁探测系统及方法。

背景技术：

1、煤炭地下气化（underground coal gasification, ucg）是将地下煤炭进行有控制地燃烧，生成可燃气体的一种清洁利用技术。然而，气化过程中会形成燃空区、气化通道及热影响区，导致煤层及围岩的物理性质（特别是电性）发生显著变化，可能引发地表沉降、地下水污染等地质环境风险。因此，对这些异常体进行高精度探测与动态监测，是保障ucg工程安全运行的核心需求。

2、广域电磁法因其探测深度大、抗干扰能力强、分辨率高等优势，在地质勘探领域得到广泛应用。但在针对煤炭地下气化的监测应用中，现有技术仍存在以下不足：

3、场源布设不优：在复杂地形条件下，场源布设不合理易导致电磁信号传播路径畸变，影响异常识别的精度。

4、数据处理能力弱：现有数据处理方法单一，难以有效压制强工业干扰和近地表静态效应，信噪比低，影响后续反演结果的可靠性。

5、反演模型不匹配：反演模型未能充分考虑ucg特殊地质条件，缺乏对烧变岩、含水层等关键地质体的耦合约束，导致反演多解性问题突出，异常边界界定不准确。

6、动态监测能力不足：缺乏对异常体演化过程的实时追踪能力，预警滞后，无法满足工程安全运行的动态监测需求。

7、因此，亟需一种能够高精度识别燃空区、气化通道及堵塞异常，并实现动态追踪的广域电磁探测系统及方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种煤炭地下气化广域电磁探测系统及方法，旨在解决现有技术中存在的现有广域电磁探测技术在煤炭地下气化监测应用中，存在场源布设不合理导致信号畸变、数据处理方法单一的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种煤炭地下气化广域电磁探测系统，包括：

3、分布式电磁发射单元，用于向地下发射包含多频组合波的电磁信号；

4、多维数据接收单元，与所述分布式电磁发射单元通过gps同步，用于同步采集地下介质响应的电场分量数据；

5、数据预处理单元，与所述多维数据接收单元连接，用于对采集的原始数据进行去噪、静态校正及广域视电阻率计算；

6、三维反演解释单元，与所述数据预处理单元连接，用于构建包含烧变岩、煤层、含水层的三维地质模型，并基于钻孔数据进行约束反演，以获取地下电阻率三维分布；

7、动态预警单元，与所述三维反演解释单元连接，用于通过滑动窗口分析法对比时序数据以追踪电性结构变化，并在变化率超过预设阈值时生成预警信息。

8、本发明公开的一种煤炭地下气化广域电磁探测系统的技术效果是：本发明通过设置分布式电磁发射单元、多维数据接收单元、数据预处理单元、三维反演解释单元及动态预警单元，并限定五大单元之间的连接关系及核心功能，构建了一套完整的广域电磁探测系统；该系统能够向地下发射多频组合波并通过gps同步实现高精度数据采集，通过数据预处理单元提升信噪比，通过构建包含烧变岩、煤层、含水层的三维地质模型并结合钻孔数据约束反演降低多解性，最后通过动态预警单元的滑动窗口时序对比实现异常演化追踪，从而解决了现有技术中场源布设不合理、干扰压制难、反演多解性突出、动态监测能力不足的问题，实现了对燃空区边界的高精度界定和异常结构的准确识别。

9、进一步地，所述分布式电磁发射单元包括大功率宽频带发射机、多频组合信号控制器及接地电极阵；所述发射机额定功率≥160kw，支持0.01~10khz宽频发射；所述信号控制器用于生成多频组合波；所述接地电极阵采用1m×1m金属板多点埋设，接地电阻≤2kω。

10、进一步地，所述分布式电磁发射单元的接地电极阵沿测线平行方向布设，ab场源长度设为1000m，中点距井场距离≥1500m，方位角误差≤1°，发射电流控制在120~150a，端电压≤1000v。

11、进一步地，所述多维数据接收单元由12台以上分布式电磁接收机、不极化电极及gps同步模块组成；所述接收机为24位ad分辨率，支持dc~10khz宽频采集；所述gps同步模块的同步误差≤50ns；电极间距设为20m，特殊区域加密至10m。

12、进一步地，所述多维数据接收单元的测点布设以气化井场为中心，沿地质构造方向布设3条主测线，每条测线长度1500m，其中1条测线设置300m动态重复观测段，总物理点数≥255个。

13、进一步地，所述数据预处理单元包括信号去噪模块、静态校正模块及广域视电阻率计算模块；所述信号去噪模块用于依次执行趋势滤波、中心频率为50hz及其谐波的梳状滤波、以及截止频率为0.01hz的高通滤波，以压制干扰；所述静态校正模块用于执行五点滑动平均滤波，以消除静态位移；所述广域视电阻率计算模块用于基于逆插值法计算广域视电阻率。

14、第二方面，本发明提供了一种煤炭地下气化广域电磁探测方法，该方法基于所述系统，包括以下步骤：

15、s1，测区预处理，收集测区地质资料、钻孔数据及气化工程参数，确定干扰源分布，布设3条平行测线及动态观测段；

16、s2，场源与接收系统部署，按赤道装置布设发射电极阵，部署分布式接收机，采用gps同步实现发射-接收时序对齐；

17、s3，多频数据采集，通过信号控制器生成多频组合波，发射机向地下发射电磁信号，接收机同步采集电场分量数据，采样率≥120ksps；

18、s4，数据预处理，对原始数据依次进行飞点剔除、趋势滤波、梳状滤波和高通滤波以压制干扰，再进行五点滑动平均滤波以消除静态位移，最后基于逆插值法计算广域视电阻率；

19、s5，三维反演计算，构建包含煤层、烧变岩、含水层的三维地质模型，输入预处理后的数据，以钻孔数据为约束，执行一维与二维的联合反演，获取地下电阻率三维分布；

20、s6，异常识别与解释，结合地质资料分析电阻率异常特征，低阻异常区判定为燃空区或气化通道，通过等值线密集度识别堵塞异常，圈定异常体空间范围与形态；

21、s7，动态监测与预警，对动态观测段数据进行时序对比，通过滑动窗口分析法分析电性结构变化趋势，当异常体边界变化率超过阈值时，触发预警并推送相关信息。

22、本发明公开的一种煤炭地下气化广域电磁探测方法的技术效果是：本发明通过限定测区预处理、场源与接收系统部署、多频数据采集、数据预处理、三维反演计算、异常识别与解释、动态监测与预警七个步骤，形成了一套完整、可操作的广域电磁监测流程；该方法通过布设动态观测段并采用滑动窗口分析法对时序数据进行对比，能够实时追踪地下电性结构变化趋势，在异常体边界变化率超过阈值时及时触发预警，从而实现了对燃空区、气化通道及堵塞异常的动态监测与早期预警，为煤炭地下气化工程的安全运行提供了可靠的技术保障。

23、进一步地，所述s3中数据采集过程中，物理点合格率≥100%，优良级品率≥85%，系统检查观测工作量≥总工作量的5%，均方相对误差≤5%。

24、进一步地，所述s5中反演计算采用连续介质反演与层状介质反演相结合的方式，反演深度≥1500m，纵向分辨率≤5m，横向分辨率≤20m。

25、进一步地，所述s6中异常识别采用“定性-定量-验证”三级流程：先通过拟断面图定性识别异常位置，再通过反演结果定量计算异常体规模，最后结合钻孔数据验证识别结果。