孔中直流电法超前探测方法
【专利摘要】一种能够有效避开后方不利因素的影响、提高信噪比和对孔周围地层介质中异常体的分辨能力、提高探测准确率的、在巷道掘进迎头后方固定供电电极，向地层中供出稳恒电流，建立点电源场；迎头前方顺层钻孔内观测点电源场变化规律，探测巷道掘进前方隐伏致灾体的直流电法超前探测方法。包括在掘进迎头附近布置多个供电电极，并与无穷远电极一起组成供电系统，在钻孔内布置由接收电极组成的接收系统。所述接收电极由孔口至深部依次移动布置，每次移动，均接收三个供电电极分别供电时产生的电位差，并可以计算出相应位置的视电阻率。以电位差和计算的视电阻率为基础数据，将三组数据进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。
【专利说明】孔中直流电法超前探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地球物理勘探【技术领域】，涉及一种应用于钻孔中，探测巷道掘进前方隐伏致灾体的直流电法超前探测方法。
【背景技术】
[0002]在地球物理勘探【技术领域】，通常需要一种可靠的超前预测预报方法，以满足相关行业安全掘进的需求。孔中直流电法探测是一种新的超前预测预报方法，其能够精确识别钻孔周围一定径向距离内的含/导水体。
[0003]对巷道、隧道掘进前方灾害性地质异常体、含/导水体的预测预报是一项与安全生产紧密相关的重要工作。目前主要的超前探测方法有地震反射波法、瑞雷波法、地质雷达法、瞬变电磁法、直流电阻率法、红外测温法和申请号为200810044794.6的专利所记载的预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。
[0004]地震反射波法中应用较广的有隧道地震剖面法(TSP)和隧道垂向地震剖面法(TVSP)。两种方法的工作方式稍有差异，但都是利用地震反射原理地震反射波法对岩层速度分界面能较好的确定。在实际工作中，该方法接收的信号较复杂，断层界面的负视速度反射波难以准确提取，导致解释结果存在较严重的多解性，而且地震反射波对地下水的反应不敏感，不能准确预报前方强含水地质异常体，尤其是对点状导水通道更是无能为力。
[0005]瑞雷波法是利用弹性波中瑞雷面波的传播特征，来探测前方结构面的一种物探方法，其核心是利用了层状介质中瑞雷波的频散特性，即不同频率成分具有不同的相速度，通过频散曲线来进行地质解释。瑞雷波法分为稳态和瞬态两种方法。稳态瑞雷波法由于设备过于笨重，施工效率低，难以适合巷道超前探测条件。瞬态瑞雷波采用多个检波器，接收同一个震源激发的面波信息，根据半波长理论解释界面深度。瑞雷波法在探测地质体(煤层)分层、断裂带、陷落柱、地质异常体等方面均有实用价值，但该方法同样对含水体不敏感，不能准确预测掘进前方的含水体，且超前距离一般只有50m，特别在松软煤层中超前距离较短。
[0006]地质雷达探测方法是以介质的电性、磁性为基础，研究不同频率的电磁波经介质反射、透射、吸收后的能量衰减、频散作用和时间等参数的变化规律，利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射特性来探测目标体，用于推测工作面前方地质异常体的形态和空间位置。该方法对断层、陷落柱、老窑等含水体有较好的探测效果，但目前探测距离较短，大约在20m?30m以内，同时雷达记录易受洞内机器干扰，探测分析中要特别注意波相识别，排除干扰。
[0007]矿井瞬变电磁超前探测方法基于地面瞬变电磁的原理，获取掘进前方地质体的电阻率，通过电阻率差异判断地质构造、导/含水体等地质异常体。该方法的缺点是存在一定的盲区，不能探测掘进头附近约20m范围内的地质体；巷道内金属体、局部电性不均匀体被一次场激发后产生的涡流场，对采集的数据影响较大，出现难以排除的假异常；对目标异常体在空间上的定位存在不确定性。[0008]矿井直流电阻率法超前探测是以介质的导电性差异为物理基础，通过观测和研究地下人工稳定电流场的空间分布规律，达到勘查目的的一种超前探测方法。该方法的接收电极布置在掘进迎头后方，受施工环境(铁轨、金属支架、锚网、电器设备、局部水坑或潮湿地段等)和巷道空间影响较大，接收的数据不稳定，假异常偏多；单次探测距离有限，一般认为80?100m。
[0009]红外测温法是以岩石热传导、热辐射性质为基础，在一定的距离和观测精度下测量掌子面上的温度变化。根据含水体与围岩的温差引起的温度异常场的分布规律，对其进行超前预报。该方法对溶洞、断层破碎带、岩溶裂隙发育带等含水体的超前预报具有较高的准确性，但探测范围较短，一般小于30m，且目前仍局限于定性预报异常体的含水性，对含水量亦不能进行定量或半定量预报。
[0010]申请号为200810044794.6的发明专利说明了一种预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。其原理是依据地下水在岩体中循环流动导致水体周边及流经位置围岩的温度变化，通过这种温度差异推测掌子面前方可能存在的含水体。该方法具有一定的准确性，但不能定量预测地下水体相对于掌子面的距离。其工作方式是在施工掌子面后面的隧道周边，随隧道施工掌子面的前移，按一定间距逐点跟踪测试隧道周边岩体的温度。其温度测试在5?12m深的岩孔中进行，因此需要在隧道后方等间距实施一定数量的钻孔，具有相对较大的工作量。
[0011]随着综掘机的广泛采用，巷道掘进速度也随之提高，日进尺可达30m以上。在这种情况下，应用上述方法进行超前预测预报，将产生单次预报距离较短，准确度不够的缺陷。因此，需要一种单次预报距离更长，精度更高的超前探测方法。
【发明内容】
[0012]本发明提出了一种在掘进迎头后方固定三个供电电极，向地层中供入电流，建立人工场源，迎头前方顺层钻孔内接收电极测量电位差的超前探测方法。根据本发明，能够有效避开巷道内铁器、电器设备、局部积水等不利因素的影响，增大接收信号的信噪比，从而更真实的反映孔周围地层的导电性分布规律，提高对异常体的分辨能力。
[0013]本发明探测工作原理是:在巷道掘进迎头后方布置供电系统，含一个无穷远电极和三个供电电极，接收电极位于钻孔内。供电电极向地层供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，各供电电极分别供电时都是点电源，其等电位面是以供电电极为球心的球面，该球面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同，由孔中一定间隔的接收电极测量等电位面之间的电位差。每移动一次接收电极，依次接收三个供电电极电源场分别在该接收电极之间产生的电位差，当掘进前方无地质异常体时，获得的电位差为正常值，而当存在地质异常体时，等位面的分布将被改变，电位差也随之变化，通过这种电位差异，获得掘进前方地质异常体的信息。根据电位差，可以计算出不同深度位置的视电阻率。通过分析解释，获得地质异常体更精确的横向位置。
[0014]具体的，本发明提供一种孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，包括以下几个方面:
[0015](I)在需要超前探测的巷道的迎头的前方，沿掘进方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100?300m或更深；[0016](2)在掘进迎头附近每间隔相同的距离，布置三个供电电极即发射电极，布置一个无穷远电极，无穷远电极距离迎头应大于5倍孔深，供电电极和无穷远电极分别与供电设备的A、B极相连接，组成供电系统；
[0017](3)供电电极向地层供出稳定的电流，建立以供电电极为中心的点电源场；
[0018](4)将接收电极布置于钻孔内，与接收设备的M、N极相连接，接收点电源场在接收电极位置产生的电位差；
[0019](5)三个供电电极分别供电，通过接收电极获得三组电位差数据，并计算出不同深度位置的视电阻率；
[0020](6)以电位差和计算的视电阻率为基础数据，将不同供电电极供电时接收的多组这种数据进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。
[0021]所述三个供电电极按照顺序依次向地层供电，所述接收电极，每移动一次，均依次接收所述三个供电电极在该处产生的电位差，结束后，移动所述接收电极至下一接收点，重复前述供电接收工作，直至达到探测要求深度，完成测量工作。
[0022]根据上述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，所述钻孔为顺层钻孔，即顺掘进方向需要超前探测的地层钻进，孔深可根据探测要求至100?300m或更深。
[0023]根据上述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，所述供电电极的数量为3个，所述无穷远电极距离迎头应大于5倍孔深，供电电极和无穷远电极分别与供电设备的A、B极相连接，组成供电系统。所述供电电极按照顺序依次供出稳定电流，并分别在地层中建立点电源场。
[0024]根据上述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，所述接收电极由孔口至深部依次移动布置，每次移动，均接收三个供电电极分别供电时产生的电位差，并可以计算出相应位置的视电阻率。
[0025]根据上述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，当钻孔附近的探测目标地层中存在低阻异常体时，由于低阻异常体的存在而吸引电流，从而改变供电电极建立的场源在该异常体附近的分布形态，此时，其周围等电位面形态随之发生变化，通过接收电极获得这种表现在等位面上的变化，从而获取低阻异常体的信息。
[0026]根据上述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，以电位差和计算的视电阻率为基础数据，将三组数据进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。依据不同供电电极在同一接收点的电位差值或视电阻率变化特征可以实现对异常体的横向定位。
[0027]根据上述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，在探测施工过程中，发现数据异常变化的区段时，可实时重复和/或加密进行前述供电接收工作，直至达到探测要求深度。
[0028]根据本发明，于巷道迎头后方布置供电电极，供电建立人工场源，钻孔中接收电位差，由此能够辨别目标层位中含/导水构造(或含/富水区域)、老空积水、岩溶陷落柱、灰岩水等隐伏含水地质异常体。
[0029]另外，根据本发明，由于一般岩层含水时电阻率较低，对供入地下的电流场有强烈影响，因此该方法对于识别掘进前方的含/导水体尤其有效。
【专利附图】
【附图说明】[0030]图1是本发明孔中直流电法超前探测方法原理示意图。
[0031]图中:1.顶板地层，2.巷道，3.底板地层，4.巷道掘进迎头，5.钻孔旁侧的低阻异常体，6.煤层，7.钻孔和孔内测点(示意)，8.供电电极，9.无穷远极，10.供电系统，11.接收系统和接收电极位置，12.接收电极沿钻孔移动方向。
[0032]图2是本发明孔中直流电法超前探测方法中的供电电极与其在地层中建立的点电源场分布示意图。
[0033]图中:U为等电位面。
【具体实施方式】
[0034]下面参照附图结合【具体实施方式】对本发明作出详细说明。
[0035]图1是本发明孔中直流电法超前探测方法原理示意图。
[0036]参照图1，尽管是以煤矿顺煤层超前探测地质异常体为例进行的描述，但需要说明的是，该描述仅仅是示例性的，本发明并不仅限于顺煤层超前探测地质异常体的方案中。大体上讲，本发明【具体实施方式】包括以下步骤:
[0037](I)在需要超前探测的巷道2的迎头4的前方，沿掘进方向顺煤层6按要求打钻孔7，钻进深度可根据探测要求确定，所述钻孔的要求如下:
[0038](a)垂直于迎头，顺层打钻孔；
[0039](b)孔深可根据探测要求至100?300m，或者更深；
[0040](2)在掘进迎头4附近布置供电电极8 (Al、A2和A3)，将无穷远电极9布置在大于5倍探测距离且具有良好接地条件处，电极与地层接触密实。分别将供电电极8和无穷远电极9与供电设备的供电端相连，组成供电系统10，供电电极8的个数可以有变化，图中供电电极8的数量例示为3个；
[0041](3)供电电极向地层供入直流电建立人工电场，以供电电极为中心形成点电源场，均匀介质情况下，其等电位面也是以供电电极为球心的球面(如图2中U)，该球面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同；
[0042](4)将接收电极放置于钻孔7内，并与接收设备的接收端相连接，组成接收系统11，依次接收各个供电电极的点电源场分别在接收电极位置产生的电位差信号，完成后按照钻孔7方向移动至下一测点，重复上一测点的测量工作。当掘进前方无地质异常体时，获得的电位差为正常值，而当存在地质异常体时，等位面的分布将被改变(如图2中低阻异常体处U的变化)，电位差也随之变化，通过接收这种电位差异，获得掘进前方地质异常体的信息；
[0043](5)所述供电电极8按照顺序依次向地层进行供电，作为所述接收系统11的所述接收电极，每移动一次，均依次接收所述各个供电电极供电时在地层中产生的电源场信号(电位差)。在例示出的本实施例中，三个供电电极8按照顺序依次供电，作为接收系统11的接收电极接收三个电位差，重复前述供电接收工作，至达到探测要求深度，完成测量工作，获得三组电位差数据；
[0044](6)三组电位差数据可以计算出相应位置的视电阻率，以电位差和计算的视电阻率为基础数据，将多组数据进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。
[0045]其中，在图中，作为探测目标体的低阻异常体位于掘进迎头前方钻孔的一侧(图1中5示意)。当供电电极8移动至该低阻异常体附近时，由于低阻异常体的存在，因此会吸引电流，从而改变场源的分布形态，此时，其周围等电位面形态随之发生变化，通过孔中接收电极获得这种表现在等位面上的变化，从而获取低阻异常体的信息。
[0046]并且，在探测施工过程中，发现接收的电位差数据出现突然变化的区段时，可重复和/或加密进行前述供电接收工作，至达到探测要求深度。
[0047]以上根据实施例对本发明作出了详细描述，然而，所述描述是例示性的，本发明不仅仅限于实施例中，本领域技术人员完全能够根据本发明教导而对其作出各种形式的替换或者变更，在不脱离本发明宗旨和精神的前提下，凡是对本发明作出的各种变更及修饰均视为本发明所涵盖的内容，均落入所附权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，包括以下几个方面: (1)在需要超前探测的巷道的迎头的前方，沿掘进方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100?300m ； (2)在掘进迎头附近每间隔相同的距离，布置三个供电电极，布置一个无穷远电极，无穷远电极距离迎头应大于5倍孔深，供电电极和无穷远电极一起组成供电系统； (3)供电电极向地层供出稳定的电流，建立以供电电极为中心的点电源场； (4)将接收电极布置于钻孔内，接收点电源场在接收电极位置产生的电位差； (5)三个供电电极分别供电，通过接收电极获得三组电位差数据,并计算出不同深度位置的视电阻率； (6)以电位差和计算的视电阻率为基础数据，将不同供电电极供电时接收的多组这种数据进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体， 其中，所述三个供电电极按照顺序依次向地层供电，所述接收电极，每移动一次，均依次接收所述三个供电电极在该处产生的电位差，结束后，移动所述接收电极至下一接收点，重复前述供电接收工作，直至达到探测要求深度，完成测量工作。
2.如权利要求1所述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，当钻孔附近的探测目标地层中存在低阻异常体时，由于低阻异常体的存在而吸引电流，从而改变供电电极建立的场源在该异常体附近的分布形态，此时，其周围等电位面形态随之发生变化，通过接收电极获得这种表现在等位面上的变化，从而获取低阻异常体的信息。
3.如权利要求1所述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，以电位差和计算的视电阻率为基础数据，将三组数据进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体，依据不同供电电极在同一接收点的电位差值或视电阻率变化特征从而实现对异常体的横向定位。
4.如权利要求1所述孔中直流电法超前探测方法，其特征在于，在探测施工过程中，发现数据异常变化的区段时，可实时重复和/或加密进行前述供电接收工作，直至达到探测要求深度。
【文档编号】G01V3/02GK104007472SQ201410257867
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】侯彦威, 王鹏, 王信文, 张振勇, 李文刚, 蒋齐平, 司银女 申请人:中煤科工集团西安研究院有限公司