1巷道掘进工作面瞬变电磁超前探水监测系统申报书.docx
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1巷道掘进工作面瞬变电磁超前探水监测系统申报书
序号：
编码：
第五届“挑战杯·中国联通”
XX省大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书
作品名称：
巷道掘进工作面瞬变电磁超前探水监测系统
学校全称：
XX大学
申报者姓名
（集体名称）：
类别：
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
■科技发明制作A类
□科技发明制作B类
A2．申报者情况（集体项目）
姓名
性别
男
出生年月
申报者情况
学院
地球与环境学院
专业、年级
学历
本科生
学制
4年
入学时间
作品全称
巷道掘进工作面瞬变电磁超前探水监测系统
通讯地址
XX大学地球与环境学院
邮政编码
单位电话
常住地
通讯地址
XX大学地球与环境学院
邮政编码
住宅电话
其他作者情况
姓名
性别
年龄
学历
所在单位
孙松
男
22
本科
XX大学地球与环境学院
韩鹏飞
女
22
本科
XX大学地球与环境学院
资格认定
学校学籍管理
部门意见
以上作者是否为2012年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的各类高等院校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。
■是□否（部门盖章）
2013年05月04日
院系负责人
或导师意见
本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果
■是□否
负责人签名：
2013年05月04日
B3．申报作品情况（科技发明制作）
作品全称
巷道掘进工作面瞬变电磁超前探水监测系统
作品分类
（C）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）
D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）
E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）
作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标
作品设计：
在现有瞬变电磁单次探测基础上，通过对探测装置的改进和对探测方法的创新，完成一发多收线框改进，一发多收瞬变电磁超前探测数据算法的研究，采集站内设参数一键上传的设计及交叉掩护式探测方法的创新，通过搭载井下现有传输系统，实现对巷道掘进工作面前方含水情况的实时监测，来提高超前探水预测、预报的时效性和分辨能力。
设计填补井下无巷道掘进工作面实时监测系统的空白。
发明的目的：
目前矿井巷道掘进工作面没有相关监测系统，对于巷道掘井工作面的瞬变电磁探测技术又因技术本身条件所限，存在许多不足之处。
现有测试工作为单次探测，控制距离为工作面前方10m-120m范围之内，其常用一发一收的同心回线方式采集数据量小，对前方含水异常控制程度低。
而巷道掘进中又需要根据生产进度进行多次勘测，其分析结果具有滞后性，不能有效实时指导掘进工作的进行，易由于地质现象的多解性导致安全隐患的存在。
于是提出构建巷道掘进工作面瞬变电磁超前探水监测系统，以满足矿井安全、高效生产需求。
基本思路：
创新点：
创新研究主要体现在以下方面：
（1）首次实现对巷道掘进工作面瞬变电磁探水监测系统的构建。
通过搭载井下现有的远程传输系统进行井上下实时预报、预警，填补巷道掘进工作面的无实时监测系统的空白。
（2）瞬变电磁线框的一发多收设计。
减少了测点布置，并且提高现场数据采集率和探测分辨程度；
（3）井下数据采集站的自动化设计。
实现多通道系统的开发，多通道数据计算以及对比分析，快捷的一键采集与传输设计，操作简捷，提高工作效率和数据分析的准确性；
（4）实时成图系统的开发。
实时数据传输的电位曲线显示和探测成果的快速成图。
（5）节约时间，每天利用掘进工人三班中检修时间来完成探测工作和数据的采集，实现一种交叉掩护式探测，做到巷道掘进过程中的全覆盖动态监测预报，同时实现数据的连续性与对比性。
技术关键：
（1）改进仪器设备。
①实现多道数线框的采集设计：
一道发射，一道接收，或者一道发射多道接收；
②实现采集站多道数据采集的开发，以及采集与传输快捷设计的自动化数据生成与传输的设计；
（2）改进测试方法。
采用交叉掩护式探测方法，增强数据采集的连续性与对比性；
（3）通过对干扰因素控制、反演算法、结果成图等方面改进，对双通道瞬变电磁超前探测数据算法研究，实现实时成图系统的开发，从而可以实时显示传输数据和快速成果成图；
（4）搭载现有传输系统实现监测，完成数据传输、分析与反馈的实时性，对整个工作面掘进前方地质异常进行动态监测。
主要技术指标：
（1）、实现线框的多通道接收设计；
（2）、实现采集站的多道采集分析以及自动化传输设计；
（3）、多通道瞬变电磁超前探测数据算法的晚期及全时域时间的算法推演；
（4）、能有效搭载现有的井下传输系统；
（5）、实时数据接收和快捷成图的实现；
（6）、连续监测的效果分析；
（7）、实时监测的预警指导。
作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。
请提供技术性分析说明和参考文献资料）
现有的瞬变电磁探测多以技术应用为主体，对于设备探测方法的研究相对较少。
而井下巷道掘进工作面的探测工作为单次探测，由技术人员提前与矿井安全负责人预约探测时间。
在预约时间矿井掘进工作面停工、待产。
技术人员则在迎头方向做相关的技术探测后，将采集数据带回实验室，进行分析，成图，提交研究报告。
中间耽搁1～3天时间，出现掘进指导的滞后。
而巷道掘进又要根据生产需要进行多次探测，探测中容易出现探测盲区或地质因素的多解性，存在响应的安全隐患。
在国内外，尚未发现巷道掘进工作面的实时监测系统的构建与开发的文献。
该系统的设计，先进性表现在以下方面：
（1）仪器设备
①实现多道数采集：
一道发射，一道接收，或者一道发射多道接收的效果，减少测点的布置，实现信息采集的高效化，减少了现场工作量，提高工作效率；
②井下采集站的自动化设计，只需通过操作发射/接收线框和采集站，即可使得采集数据一键自动传输并且及时分析多道数据，使得井下的实时数据可以快速、准确采集并实现上传与分析。
（2）测试方法，采用交叉掩护式探测方法，通过对掘进迎头方向的探测覆盖，使得监测数据可以连续综合对比与判断，可操作性增强，信息量增多，提高水害分析的准确性。
（3）通过对干扰因素控制、反演算法、结果成图等方面改进，人工解释与计算机解释相结合，对多通道瞬变电磁超前探测数据算法计算；开发实时成图软件，显示传输数据和快速成果成图，大大提高了水害问题监测的准确性与预警分析的提前性。
（4）监测系统实现，每天由检修工人操作相关仪器和线框，进行数据采集。
并且相关探测仪器随巷道掘进一同前进，每天采集数据及时向地面传输，实现交叉掩护式的探测，完成对整个工作面掘进前方地质异常的实时动态监测。
综上，该设计在对迎头方向瞬变电磁场传播、分布和响应等理论研究的基础上，通过数学建模、反演算法、噪声剔除、成图处理和水文地质解析等关键技术研究，形成一套专门解决巷道掘进迎头方向的突水构造、含水陷落柱等水文地质问题的监测预报预测技术方法，并且能够大大提高对矿井水害安全隐患排查与指导的实时性和有效性。
参考文献
[1]董书宁.对中国煤矿水害频发的几个关键科学问题的探讨[J],煤炭学报,2010,35
（1）:
66-71.
[2]韩德品,赵镨,李丹.矿井物探技术应用现状与发展展望[J].地球物理学展,2009,24（5）:
1839-1841.
[3]闫述,石显新,陈明生.井下超前探测的球壳电位与异常[J].地下工程中的地球物理探测技术研讨会,西安,2007.
[4]张平松,刘盛东,曹煜.坑道掘进立体电法超前预报技术研究[J].中国煤炭地质,2009,21
（2）:
50-53.
[5]于景邨,刘志新,刘树才.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J],煤炭学报,2007,32（8）:
818-821.
[6]刘志新.矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[D],中国矿业大学,2007.
[7]姜志海.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D],中国矿业大学,2008.
[8]杜庆丰.瞬变电磁法工作装置、数据预处理及反演解释系统[D],中国地质大学（北京）,2008.
[9]杨海燕.矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模拟与分布规律研究[D],中国矿业大学,2009.
[10]谭代明.隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究[D],西南交通大学,2009.
[11]胡博.矿井瞬变电磁场数值模拟的边界元法[D],中国矿业大学,2010.
[12]JiangZhihai,YueJianhua,YuJingcun.Experimentinmetaldisturbanceduringadvanceddetectionusingatransientelectromagneticmethodincoalmines[J],MiningScienceandTechnology,2010,20（6）:
861-863.
[13]LiuShengdong,ZhangPingsong.Characteristicofgeologicalanomalydetectedbycombinedgeophysicalmethodsinadeeplanewayofcoalmine[C].ProceedingsoftheInternationalConferenceonMiningScienceandTechnology,ICMST2009:
936-942.
作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果
2013年5月，委托XX省科学技术情报研究所做了科技查新，查新报告显示，且国内除本课题组外未见其他单位有相同的内容的文献报告；
2013年3月，申请国家知识产权局实用新型专利并获得实用新型专利受理；
2013年2月，在福建将乐安信煤业公司进行了井下试用，实现超前探测并达到提高探测精度效果；
2013年2月，XX大学与福州华虹智能科技开发有限公司进行校企联合试生产样机并进行综合实验；
2012年12月，XX大学第五届“挑战杯”大学生课外学术作品竞赛中荣获特等奖。
作品所处阶段
（A）A、实验室阶段B、中试阶段
C、生产阶段D、（自填）
技术转让方式
面谈
作品可展示的
形式
■实物、产品■模型□图纸□磁盘
■现场演示□图片□录像■样品
使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测
使用说明：
本系统在掘进工作面构建半自动化实时监测系统。
通过非技术人员对采集站和多道采集线框的直接操作，完成数据的采集并搭载井下传输系统实时上传进行分析处理，从而来指导巷道安全高效掘进。
具体如下：
（1）、由检修工人直接在巷道掘进迎头方向合理布设线框和采集站，采集站连接线框，搭载井下传输系统。
（2）、操作采集站进行数据采集的操作和实时上传。
（3）、信息搭载现有传输系统到达地面信息处理中心。
（4）、地面技术人员使用计算机，接收数据信息，并实时分析，成图显示，观察探测前方地质异常。
（5）、通过对数据信息的分辨，校正，实时预警指导掘进工作的进行。
技术特点：
创新设计的探测装置和创新改进的探测方法，搭载现有井下传输系统形成远程监测系统构建，使得探测过程向半自动化跨进一步，也使得掘进工作面可以随掘进进行动态监测，提高掘进安全系数，满足矿井的高效生产，为实时指导掘进提供技术参考。
主要特点如下：
（1）创意新颖：
搭载井下现有传输系统，采用自动化采集站连续探测提高了现场数据采集率及探测分辨程度，实现巷道掘进监测；
（2）实用性强：
广泛应用于所有煤矿等井下超前探水的水害防治、预测、预报；
（3）技术先进：
采用智能化控制技术，实现动态成图实时监测掘进前方含水情况；
（4）性价比高：
投入成本低，可以有效减少钻孔布设，更具指导性的做好巷道掘进水害预测预报工作。
适应范围：
（1）各大中小型矿井巷道开拓中掘进工作面监测迎头方向的地质构造情况的探测。
（2）大、中型隧道的掘进迎头方向地质构造情况的分析。
（3）水库，水坝等地面工程的施工探测与检测分析。
市场分析即经济效益预测：
对于矿井水害是影响煤矿安全生产的主要因素之一，巷道掘进中须要做到先探后掘，排除水害安全隐患，其每年投入的成本较大。
矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在矿井巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法。
经济效益：
瞬变电磁超前探测可以从面上提供异常范围，然后采用钻探重点施工，提高了探测效率，而且还可以节约安全施工成本。
（1）对于矿区，矿井的巷道掘进开拓任务量大：
以淮南为例，每矿每年巷道开拓量在万米以上，而在矿井的巷道开拓掘进面须布置4-6个钻孔详查前方构造异常。
经连续超前监测提高探测精度后可有效减少钻孔布设。
若以目前国内岩巷掘进成本10万-15万每百米计算，对于巷道掘进百米每减少一个钻孔，单对矿井每年即可节约成本上千万。
（2）在淮南地区有十四对矿井，其掘进量和探测任务巨大，其产生经济效益和社会效益显著。
巷道监测系统构建后可大大提高其探测的效率及准确性。
并且相比较单次的超前探测在时间和成本上的经济效益同样可观。
如能实现应运推广，其在XX范围乃至全国范围都有广阔市场价值。
社会效益：
（1）瞬变电磁法可凭借其非接触式探测、体积效应小、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，能满足矿井安全、高效生产的技术要求。
而该系统的构建尤为突出的解决了井下探测数据的采集，传输，分析的滞后性与分辨的准确性，还增强了井下探测的干扰控制。
（2）该系统的构建可以提高矿井水害的预测预报精度，最为重要的是填补井下巷道掘进工作面的超前探水无实时监测系统的空白，达到减少或避免水害事故的发生目的。
综上：
系统的构建在提高效率和分辨准确率的同时更节约生产成本，满足矿井的安全、高效生产，有着极广阔的应用前景和市场前景。
专利申报情况
■提出专利申报
申报号201320107887.5
申报日期2013年3月11日
□已获专利权批准
批准号
批准日期年月日
□未提出专利申请
科研管理部门
签章
年月日
C.当前国内外同类课题研究水平概述
该项目为理学地球与空间科学类研究，项目的设计：
矿井掘进工作面瞬变电磁超前探测监测系统的构建。
一、瞬变电磁国外研究水平
瞬变电磁法在西方始于上世纪50年代，前苏联、美国、加拿大、澳大利亚等国的地球物理学家在基础理论、应用技术等方面进行了深入研究，并开展了大量应用实验工作。
瞬变电磁法起初多是用在铜多金属硫化矿床的探测上。
在国外在深部找矿勘查中，瞬变电磁法也已成为常规勘查方法之一。
随着电子技术和计算机技术的发展,近十几年来，瞬变电磁仪经过了五次改进更新。
性能稳定、实用可靠的商品化瞬变电磁仪器始于上个世纪70年代初期，而且主要为地面勘探。
其中最先推出商品仪器的为加拿大CRONE地球物理公司，加拿大CRONE地球物理公司的DigitalPEM地面探测系统，匹配2.4kW和4.8kW二种发射机,发射机的发射电流下降沿固定模式有200μs、300μs、500μs、1000μs、1500μs五种,发射线圈为任何状态、任何大地耦合条件下,发射机都可自动调整发射电流下降沿时间保持不变,接收传感器为棒状探头，探头脚架为可调式支架,能方便地调节探头地状态以满足测量三分量的要求,工作装置主要为中心回线、定源大回线等，其地面探测效果显著。
二、瞬变电磁国内研究水平
国内的瞬变电磁研究于上个世纪80年代开始，近年来由于市场的需求，多家大专院校、研究所和仪器生产厂家进行研制，目前勘查中或多或少在应用的有六、七种类型之多，而且研制瞬变电磁探测仪也多为地面探测。
YCS40（A）型矿井瞬变电磁仪为福州华虹智能科技开发有限责任公司与XX惠洲地下灾害研究设计院共同开发研制。
该仪器为世界上第一款矿井本安型瞬变电磁仪，于2009年研制生产。
目前在矿井水害防治中，运用该仪器可以探查相对富水区，为煤矿钻孔探放水提供指导依据掘进巷道超前探测迎头前方赋水性，圈定相对富水区位置，指导防治水工作，效果显著。
相比较，国外瞬变电磁仪器整体性能优于国内产品，功能较为完善、性能稳定。
国内瞬变电磁仪都存在一定的缺陷。
在解释技术方面，纵观各种杂志和网络文献瞬变电磁成果资料,在实际应用的反演或成像方面，一维反演和二维电阻率成像仍是矿井瞬变电磁实用的解释手段。
现在国产仪器需要完善和配套数据处理软件来实现对复杂地电条件下地质异常的解释。
三、我国矿井现状
我国煤田地质条件十分复杂，受水害威胁的煤炭储量占探明储量的27%。
许多矿井在开采过程中常大量涌水形成水害，如能查清或基本查清岩溶裂隙带发育特征，确定地下水位置及主要补给类型，对采取合理防治水措施，确保煤矿正常生产和安全，有着重大现实意义。
然而关于井下隐伏型导水构造精细探测技术落后，导致不能及时准确的探测到采掘过程中遇到的未知隐伏导水构造。
在矿井深部含水层裂隙发育极不均一的情况下，极有可能漏掉较大的含水裂隙，造成事故。
到目前国内常用的：
矿井直流电法、矿井地质雷达法，矿井瞬变电磁法等。
对于矿井瞬变电磁法是近几年来发展起来的在矿井下巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法之一。
现有的瞬变电磁探测主要以技术应用为主体，对于设备探测方法和相关配套数据软件的研究相对较少。
巷道掘进工作面前方含水异常体的存在会对矿井安全生产带来严重威胁，瞬变电磁法超前探测单次探测，控制距离为工作面前方10m~120m范围。
其一发一收的同心回线方式采集数据量小，对前方含水异常控制程度低；由于井下测量环境，采用边长小于2m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，但信息量不足效率不够高的缺点；多匝小回线形式增大了发射、接收线框的瞬态过程，线圈自感和互感造成发射电流关断时间过长，导致早期数据不可用，并且极易丢失浅层的地电信息，不利于对异常特征分辨和解释；井下各种金属支护、铁轨、管道、电缆等金属良导体对数据采集影响较大，降低了信号的分辨能力；巷道掘进中根据生产进度进行多次勘测，其分析结果具有滞后性，超前探测频繁，探测范围有限，不能满足矿井高效生产的技术要求。
现有的矿用瞬变电磁中还没有远程传输系统构建的监测系统，即监测系统为现有矿区生产的空白。
针对国内外关于瞬变电磁的课题研究多以应用作为研究：
线圈布置方式、匝数，数值模拟，信号的表达与计算，响应计算与校正方法的研究，以及相关测试环境的影响。
在探测方法、线框的多道设计、自动化采集站多道采集平台以及一键采集与传输的开发、实时成图软件的开发等涉及的很少。
所以与现有同水平系统研究相比，该项目侧重创新改进：
测试方法；仪器设备；通过对干扰因素控制等算法校正；配套数据处理实时成图软件开发，使得监测系统实现，完成对整个工作面掘进前方地质异常的实时动态监测。
该系统地提出也是首次实现检测系统的构建。
一发多收提高数据采集率，半自动化数据采集站提高工作效率，分析准确性，合理巷道开拓三班工人制，利用检修时间完成信息采集，实现交叉掩护式覆盖探测，提高超前探水预报的时效性和分辨能力，进行有效巷道掘进指导。
综上所述，在国内外同水平的课题研究中，该系统的构建尤为突出的解决了井下探测数据的采集，传输，分析，反馈的滞后性，还增强了井下探测的干扰控制，最为重要是的是填补了井下巷道掘进工作面的超前探水无实时监测系统的空白。
该系统的构建在提高效率和探测准确性的同时更节约生产成本，有着极广阔的应用前景和市场前景。
D1.推荐者情况及对作品的说明
说明：
1．由推荐者本人填写；
2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；
3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；
4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。
推荐者
情况
姓名
刘桂建
性别
男
年龄
50
职称
教授
工作单位
中国科学技术大学
通讯地址
邮政编码
单位电话
住宅电话
推荐者所在
单位签章
（签章）年月日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述
XX大学物探科研团队具有良好的研究基础和技术开发经验，该课题通过该进现有瞬变电磁测试仪器和方法，实现井下数据自动采集与处理，并进行了矿井实验其成果真实可靠。
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
矿井水害探测一直是安全生产的重要工作。
现有的探测方法需要专业技术人员到场采集数据，其过程长，效率低。
该小组在导师的指导下完成监测系统的实现和现场数据的便携式采集，实时化处理，便于对前方地质信息特别是水害条件的掌握，其技术水平较高，对矿井掘进工作面具有普遍适用性，随着产品的深入转化，将会在矿井安全生产中发挥重要作用。
其它说明
刘桂建，现为中国科学技术大学地球与空间科学学院环境科学专业教授，博士生导师；中国矿业大学兼职教授。
D2.推荐者情况及对作品的说明
推荐者
情况
姓名
性别
男
年龄
52
职称
教授
工作单位
同济大学
通讯地址
邮政编码
单位电话
住宅电话
推荐者所在
单位签章
（签章）年月日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述
申报项目是在指导老师的指导下，小组成员通过综合运用所学知识，对现有瞬变电磁探测设备和方法改进，成为一项创新设计，其内容真实可靠。
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
项目结合矿井生产过程中的超前探水技术进行研究，将现有瞬变电磁单次探测改为井下采集站的动态监测，提高对掘进地质条件的控制程度和分辨能力，其研究成果突破了现有的测试方式，创新性强，在掘进工作面生产中，具有很强的实用性。
将样机进一步完善和产品化，其在矿山及隧道等部门推广应用前景十分良好。
其它说明
吴健生，现为同济大学海洋与地球科学学院专业教授，博士生导师。
主要研究方向为地下空间技术应用。
学校组织协调机构确认并盖章
（团委代章）年月日
校主管领导或校主管部门确认盖章
年月日
E．组织委员会秘书处资格和形式审查意见
组委会秘书处资格审查意见
审查人（签名）
年月日
组委会秘书处形式审查意见
审查人（签名）
年月日
组委会秘书处审查结果
□合格□不合格
负责人（签名）
年月日
F1．参赛作品打印处
G1．评审委员会预审意见粘贴处
G2．评审委员会终审意见粘贴处
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