矿井煤岩体的张量电阻率监测方法与流程
本发明涉及矿井地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种矿井煤岩体的张量电阻率监测方法。
背景技术：
随着煤炭资源开发强度不断加大，深部煤岩体高地应力、高瓦斯、高温、高渗透压及较强的时间效应正在引发日益严重的突水、煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害。迫切需要在应力转移、流体运移、煤岩体结构演化的早期阶段，应用地球物理方法感知岩体和流体失稳的先兆信息，超前预报、超前解危，才能杜绝突水、煤与瓦斯突出和冲击地压等动力灾害事故发生。
含煤地层的分层特征使其在宏观上具有结构性电各向异性特征，而煤矿采掘活动诱发的应力转移、煤岩体结构演变、瓦斯和水运移等煤矿动力灾害致灾因素则具有强烈的局部和微观各向异性特征，即煤岩体在x、y、z三个方向上呈现不同的电阻率。然而，在过去30多年的矿井地球物理研究中，人们主要利用宏观电各向异性(不同岩层的电性差异)进行定向探测来确定目标体方位，其观测方式以标量观测为主，无法客观全面地反映采动岩体各向异性特征及时空演变规律，既不利于电性异常区域的精准定位，更错失了为煤岩动力灾害“超前预报、超前解危”提供先兆信息的宝贵机遇。
煤矿井下巷道空间为张量电阻率测量提供了十分便利的条件，可以在巷道顶板、侧帮和底板上布置供电电极和测量电极，形成张量电阻率测量系统。根据张量电阻率法理论对测量电位进行计算，得到反映地下介质电各向异性综合响应的视张量电阻率，揭示出煤岩体的电各向异性特征。
传统方案通常采用标量测量方式，参考图1所示，由两个供电电极(如供电电极a、b)供电，在电极方向内的岩层内形成电流回路，采用两个测量电极(如测量电极m、n)测量两电极间的电位差，进而得到某一深度介质的视电阻率。这类方法采样效率低、且一次测量只能获得煤岩体电阻率的一个方向的分量，往往存在所得到的信息片面，无法得到煤岩体电各向异性的问题。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明提出一种矿井煤岩体的张量电阻率监测方法，该方法充分利用煤矿巷道空间，每个供电和测量电极均为一个三分量节点，通过三分量节点测量并进行计算，获得煤岩体电阻率的张量值。
为实现本发明的目的，提供一种矿井煤岩体的张量电阻率监测方法，包括如下步骤：
s10，分别将煤岩体的第一供电电极布置在巷道侧帮，第二供电电极布置在巷道顶板，第三供电电极布置在巷道底板，获取空间内任意场点m处相对于第一供电电极的第一电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第二供电电极的第二电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第三供电电极的第三电流密度。
s20，设置两两相互垂直的第一测量电极n1、第二测量电极n2、和第三测量电极n3，在巷道顶板、巷道侧帮和巷道底板的交线上设置参考测量电极m，获取第一测量电极n1至参考测量电极m之间的电位差，得到第一电位差u1，获取第二测量电极n2至参考测量电极m之间的电位差，得到第二电位差u2，获取第三测量电极n3至参考测量电极m之间的电位差，得到第三电位差u3。
s30，将第一电位差u1转换成第一电场强度，将第二电位差u2转换成第二电场强度，将第三电位差u3转换成第三电场强度。
s40，根据第一电流密度、第二电流密度、第三电流密度、第一电场强度、第二电场强度和第三电场强度确定煤岩体的视张量电阻率。
在一个实施例中，第一电流密度、第二电流密度和第三电流密度均包括第一坐标轴方向的第一分量、第二坐标轴方向的第二分量和第三坐标轴方向的第三分量；
获取空间内任意场点m处相对于第一供电电极的第一电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第二供电电极的第二电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第三供电电极的第三电流密度包括：
其中，jix表示第i电流密度在第一坐标轴方向的第一分量，ii表示第i电流强度，r表示坐标系原点至任意场点m的距离向量，
在一个实施例中，将第一电位差u1转换成第一电场强度，将第二电位差u2转换成第二电场强度，将第三电位差u3转换成第三电场强度包括：
ei＝-grad(ui)，
其中，ui表示第i电位差，ei表示第i电场强度，grad()表示梯度。
在一个实施例中，根据第一电流密度、第二电流密度、第三电流密度、第一电场强度、第二电场强度和第三电场强度确定煤岩体的视张量电阻率包括：
其中，
上述矿井煤岩体的张量电阻率监测方法，分别将煤岩体的第一供电电极布置在巷道侧帮，第二供电电极布置在巷道顶板，第三供电电极布置在巷道底板，获取空间内任意场点m处相对于第一供电电极的第一电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第二供电电极的第二电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第三供电电极的第三电流密度，设置两两相互垂直的第一测量电极n1、第二测量电极n2、和第三测量电极n3，在巷道顶板、巷道侧帮和巷道底板的交线上设置参考测量电极m，获取第一测量电极n1至参考测量电极m之间的电位差，得到第一电位差u1，获取第二测量电极n2至参考测量电极m之间的电位差，得到第二电位差u2，获取第三测量电极n3至参考测量电极m之间的电位差，得到第三电位差u3，将第一电位差u1转换成第一电场强度，将第二电位差u2转换成第二电场强度，将第三电位差u3转换成第三电场强度，根据第一电流密度、第二电流密度、第三电流密度、第一电场强度、第二电场强度和第三电场强度确定煤岩体的视张量电阻率，确定的视张量电阻率所依据的信息全面，有效提高了监测得到的煤岩体张量电阻率的准确性。
附图说明
图1是传统方案的标量测量示意图；
图2是一个实施例的矿井煤岩体的张量电阻率监测方法流程图；
图3是一个实施例的电极设置示意图；
图4是一个实施例的供电电极示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在一个实施例中，参考图1所示，图1为一个实施例的矿井煤岩体的张量电阻率监测方法流程图，包括如下步骤：
s10，分别将煤岩体的第一供电电极布置在巷道侧帮，第二供电电极布置在巷道顶板，第三供电电极布置在巷道底板，获取空间内任意场点m处相对于第一供电电极的第一电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第二供电电极的第二电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第三供电电极的第三电流密度。
s20，设置两两相互垂直的第一测量电极n1、第二测量电极n2、和第三测量电极n3，在巷道顶板、巷道侧帮和巷道底板的交线上设置参考测量电极m，获取第一测量电极n1至参考测量电极m之间的电位差，得到第一电位差u1，获取第二测量电极n2至参考测量电极m之间的电位差，得到第二电位差u2，获取第三测量电极n3至参考测量电极m之间的电位差，得到第三电位差u3。
s30，将第一电位差u1转换成第一电场强度，将第二电位差u2转换成第二电场强度，将第三电位差u3转换成第三电场强度。
s40，根据第一电流密度、第二电流密度、第三电流密度、第一电场强度、第二电场强度和第三电场强度确定煤岩体的视张量电阻率。
上述矿井煤岩体的张量电阻率监测方法，分别将煤岩体的第一供电电极布置在巷道侧帮，第二供电电极布置在巷道顶板，第三供电电极布置在巷道底板，获取空间内任意场点m处相对于第一供电电极的第一电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第二供电电极的第二电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第三供电电极的第三电流密度，设置两两相互垂直的第一测量电极n1、第二测量电极n2、和第三测量电极n3，在巷道顶板、巷道侧帮和巷道底板的交线上设置参考测量电极m，获取第一测量电极n1至参考测量电极m之间的电位差，得到第一电位差u1，获取第二测量电极n2至参考测量电极m之间的电位差，得到第二电位差u2，获取第三测量电极n3至参考测量电极m之间的电位差，得到第三电位差u，将第一电位差u1转换成第一电场强度，将第二电位差u2转换成第二电场强度，将第三电位差u3转换成第三电场强度，根据第一电流密度、第二电流密度、第三电流密度、第一电场强度、第二电场强度和第三电场强度确定煤岩体的视张量电阻率，确定的视张量电阻率所依据的信息全面，有效提高了监测得到的煤岩体张量电阻率的准确性。
在一个实施例中，第一电流密度、第二电流密度和第三电流密度均包括第一坐标轴方向的第一分量、第二坐标轴方向的第二分量和第三坐标轴方向的第三分量；
获取空间内任意场点m处相对于第一供电电极的第一电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第二供电电极的第二电流密度，获取空间内任意场点m处相对于第三供电电极的第三电流密度包括：
其中，jix表示第i电流密度在第一坐标轴方向的第一分量，ii表示第i电流强度，r表示坐标系原点至任意场点m的距离向量，
上述坐标系可以为xyz坐标系，坐标系的原点可以为巷道顶板、巷道侧帮和巷道底板交线上的点。此时第一坐标轴可以为x轴，第二坐标轴可以为y轴，第三坐标轴可以为z轴，在实际应用过程中，本实施例可以通过依次对供电节点的各个电极进行供电，同时测量测量节点的各个电极间的电位，来获得电阻率张量的9个分量。
在一个实施例中，将第一电位差u1转换成第一电场强度，将第二电位差u2转换成第二电场强度，将第三电位差u3转换成第三电场强度包括：
ei＝-grad(ui)，
其中，ui表示第i电位差，ei表示第i电场强度，grad()表示梯度。
在一个实施例中，根据第一电流密度、第二电流密度、第三电流密度、第一电场强度、第二电场强度和第三电场强度确定煤岩体的视张量电阻率包括：
其中，
在一个示例中，各个供电电极(如图3中第一供电电极b1、第二供电电极b2、第三供电电极b3和参考供电电极a、第一测量电极n1、第二测量电极n2、第三测量电极n3和参考测量电极m)的设置示意图可以参考图3所示，如图3所示，b1、b2、b3、a为供电电极，视为一个供电节点，n1、n2、n3、m为测量电极，视为一个测量节点。供电和接收节点的各个分量电极两两垂直，并分别相交于坐标原点和m点。采用煤矿井下传统电阻率法常用的偶极装置(也可以为三极、对称四极等装置)，参考图4所示，将供电电极b1、b2、b3分别布置在巷道侧帮、顶板和底板上，空间内任意场点m处的电流密度分量由式(1)～式(3)计算得出，由此可以得到第一电流密度、第二电流密度和第三电流密度分别包括的各个分量，共9个电流密度分量。
采用两两相互垂直的测量电极n1、n2、n3，逐一测量n1、n2、n3与m间的电位差，得到第一电位差u1、第二电位差u2、第三电位差u3。然后通过式(4)将电位差转换成电场强度。
ei＝-grad(ui)(4)
将n1、n2、n3与m间的电位差u1、u2、u3代入(4)式可以得到对应的电场强度矢量e1、e2、e3，每个电场强度矢量有三个分量(各个坐标轴方向对应的分量)，共9个分量，如e1的三个分量分别为e1x、e1y、e1z，e2的三个分量分别为e2x、e2y、e3z，e3的三个分量分别为e3x、e3y、e3z。由9个电场强度分量和电流密度(式(1)～(3))按式(5)计算电阻率张量的9个分量，得到视张量电阻率
式中，k1＝j1xj2z-j2yj1z，k2＝j1yj3z-j3yj1z，k3＝j2yj3z-j3yj2z，k4＝j1xj3z-j3xj1z，k5＝j1xj2z-j2yj1z，k6＝j2xj3z-j3xj2z，k7＝j1xj2y-j2xj1y，k8＝j1xj3y-j3xj1y，k9＝j2xj3y-j3xj2y。
与现有技术相比，上述矿井煤岩体的张量电阻率监测方法的优点如下：
1、可以得到煤岩体的张量电阻率，即获得岩矿石电阻率的9个分量，而现有技术为标量测量，仅能获得电阻率的一个分量。
2、填补了煤矿井下电阻率法张量测量的理论与技术空白。
3、充分应用了煤矿巷道环境优势，一次测量将巷道顶板、底板和侧帮利用起来，效率更高。而现有技术一次测量仅能应用顶板、底板和侧帮中的一个。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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