基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法与流程

本发明属于巷道支护，具体涉及一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法。

背景技术：

1、近年来，我国近距离煤层群开采比例逐渐增大，由于成煤条件的差异，煤层赋存条件各异，煤层厚度从零点几米到上百米，可采层数从一层到数十层，且层间距离大小不等，厚度变化跨度极大，对于近距离煤层开采，由于上部煤层回采后遗留的采空区范围难以确定，难以对下煤层巷道进行科学的支护设计，加之地质信息的不明确导致下煤层巷道支护设计困难，掘进效率较为低下。

2、目前，矿井主要采用的超前探测方法分为钻探方法与物探方法。钻探是一种较常用的地质勘探方法，可以通过获取岩石样本，探测地质构造、岩性、地层分布等信息，探测深度大、精度高，但同时设备和操作成本较高，探测周期长，且对于一些地质复杂区域，可能受到各种因素的限制，导致无法获得有效的地质信息。而物探方法近些年发展迅速，无论在精度还是速度上，都有较大的提升，可通过测量设备快速获取地下的物理参数，相对于传统的钻探方法，可以在较短时间内获取较大范围的数据。

3、电法勘探是一类常见的物探方法，可通过对不同煤岩体间电性差异的探测，提供连续的地下信息，通过对测量数据分析和解释，实现了对未知地质异常体准确圈定。以直流电法三极超前探测为例，煤层回采后，采空区顶板垮落，垮落带中岩层破碎崩塌，形成碎石和岩屑堆积，垮落带区域视电阻率ρ4与中间岩层视电阻率ρ2、ρ3、下煤层视电阻率ρ1展现出明显差异性，在巷道迎头后方滚动观测测量电极对m、n，在后方按一定距离等间距布置测量电极m、n，测量等势面电位差。由各个点电源等势面的不同半径可以提供地质异常区距点电源的距离信息，从而确定地质体在掘进迎头前方的位置和范围，进而实现对未掘进巷道支护方法的超前决策。

4、据此提出一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，可实现近距离煤层下煤层巷道的高效支护，有助于下煤层巷道顶板的稳定。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，该方法实施过程简单、测试结果可靠，能够快速准确地对前方未掘进区域进行无损测试，可实现近距离采空区下煤层巷道的安全可靠支护。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，具体包括以下步骤：

3、步骤一：于下煤层巷道掘进迎头布置多极超前探测系统，在巷道迎头后方布置多组供电电源a，并沿巷道迎头向后等间距布置若干组测量电极m、n，在距巷道迎头较远处布置供电电极b，并将各组测量电极与直流电法仪相连；

4、步骤二：通过各组测量电极探测下煤层掘进巷道前方岩层视电阻率分布，采集电位数据、场源与测点间的距离信息、场源电流大小，并根据公式(1)计算视电阻率大小并绘制视电阻率曲线；基于所收集数据，通过直流电法仪与计算机进行电阻率三维全空间反演成像，沿巷道走向切片形成视电阻率剖面图；

5、

6、式中，k为装置系数，δumn为测量电极m、n间电位差，i为点电源电流强度；

7、步骤三：基于所获得的视电阻率剖面图，通过沿垂直巷道方向的视电阻率变化，确定岩层间界面、地质异常体分布范围，根据电阻率相对大小以及异常区域范围，确定近距离采空区范围以及下煤层起伏变化情况，确定层间距；

8、步骤四：对不同层间距条件下的未掘进巷道，选择不同的支护方法，在下煤层巷道掘进前，实现未掘进巷道的超前支护决策；

9、根据掘进迎头前方层间距的探测情况，在巷道掘进前，选择合理的支护方式，当所探测层间距大于等于4m时，采用常规锚杆/索进行支护；当所探测层间距小于4m时，在采用常规锚杆/索进行支护的基础上，增设架棚支护，且当所探测层间距小于2m时，在采用常规锚杆/索进行支护、增设架棚支护的基础上，在掘进期间进一步采取超前支护措施，超前支护措施包括吊挂式前探梁、机载前探梁、超前锚杆支护等。

10、作为一种优选，在步骤一中的供电电极b距供电电源a距离大于5倍测线长度。

11、作为一种优选，在步骤三中，对于电阻率明显低阻或高阻的异常区域，表明在掘进迎头前方的近距离采空区存在积水或空气。

12、进一步，为了能够确保探测效果，在步骤一中，当下煤层巷道每掘进50～150m时，对前方未掘区域进行一次探测。

13、进一步，为了有效确保测试精度，在步骤二中，在收集到电位数据后，先剔除数据异常点，并对电位数据进行降噪处理，然后再进行视电阻率的计算。

14、本发明中，利用测试电极获取测试前方未掘进区域的电位数据，再进行视电阻率的计算，然后通过数据反演的方式生成前方未掘进区域的视电阻率剖面图，最后根据根据垂直巷道方向的视电阻率变化情况确定出煤岩层间界面，并根据电阻率相对大小及异常区域范围确定出近距离采空区范围及下煤层起伏变化情况，可以准确地探测出前方区域的岩层间界面及层间距，进而可以在巷道掘进前，便能准确地获知到前方未掘进区域的地质情况，进而能根据不同的地质情况采用不同的支护方式，有效确保了后续掘进作业的安全进行，同时，提前选择合理的支护方案，避免了支护资源的浪费，特别地，当所探测层间距大于等于4m时，采用常规锚杆/索进行支护，既可以确保巷道顶板的稳定支护，还能有效避免支护资源的浪费，当所探测层间距小于4m时，在采用常规锚杆/索进行支护的基础上，增设架棚支护，可以利用架棚支护的支撑点较多的优点，对煤层和顶板进行有效地支撑，同时，还能通过缩短支撑间距的方式进一步提高巷道顶板的稳定性，当所探测层间距小于2m时，在采用常规锚杆/索进行支护、增设架棚支护的基础上，在掘进期间进一步采取超前支护措施，超前支护措施包括吊挂式前探梁、机载前探梁、超前锚杆支护等，这样，可以利用常规支护、架棚支护和超前支护相结合的方式，极大地确保巷道顶板的稳定性，并可以利用超前支护有效杜绝掘进工作面空顶作业现象,进而能有效防止出现顶上破碎散落及顶板裂开受压的情况发生。该方法实施过程简单、测试结果可靠，能够快速准确地对前方未掘进区域进行无损测试，可实现近距离采空区下煤层巷道的安全可靠支护。

技术特征：

1.一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，其特征在于，在步骤一中的供电电极b距供电电源a距离大于5倍测线长度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，其特征在于，在步骤三中，对于电阻率明显低阻或高阻的异常区域，表明在掘进迎头前方的近距离采空区存在积水或空气。

4.根据权利要求3所述的一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，其特征在于，在步骤一中，当下煤层巷道每掘进50～150m时，对前方未掘区域进行一次探测。

5.根据权利要求4所述的一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，其特征在于，在步骤二中，在收集到电位数据后，先剔除数据异常点，并对电位数据进行降噪处理，然后再进行视电阻率的计算。

技术总结
一种基于直流电法的近距离采空区下煤层巷道支护超前决策方法，于下煤层巷道掘进迎头布置多极超前探测系统，在巷道迎头后方布置多组供电电源，沿巷道迎头向后布置若干组测量电极，在距巷道迎头较远处布置供电电极，各电极与直流电法仪相连；通过各组测量电极探测下煤层巷道掘进迎头前方岩层区域内电性信息，形成视电阻率曲线；基于原始监测数据，通过直流电法仪进行数据解释，形成超前探测图像；基于超前探测图像，通过沿垂直巷道方向的视电阻率变化确定岩层间界面、地质异常体分布范围，根据电阻率相对大小以及异常区域范围确定层间距；对不同层间距条件下未掘进巷道采取不同的支护方法。该方法可实现近距离采空区下煤层巷道的安全可靠支护。

技术研发人员：王念雷,阚甲广,李傲然,张永进,王甲稳,崔广振,王西峰,王薪杰,苏敬博,杨志鸿
受保护的技术使用者：上海大屯能源股份有限公司江苏分公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29