一种煤矿井下孔-巷音频电透视探测系统及探测方法与流程

1.本发明属于煤矿地球物理勘探技术领域，具体涉及一种煤矿井下孔-巷音频电透视探测系统及探测方法。


背景技术：

2.煤炭是我国的基础能源和重要原料，据统计，2020年我国煤炭占一次能源消费比重约为57％左右。煤矿采掘工作面地质构造情况不明是引起煤矿水害等灾害事故的主要根源，因此需要对煤矿巷道采掘前方或工作面内部进行探测。
3.掘进工作面内部探测方法多种多样，在矿井直流电法中以矿井音频电透视方法为主，该方法对低阻体的反应比较灵敏，也即对岩层或煤层中的赋水性能灵敏感应。矿井音频电透视法主要通过巷道间电穿透的原理来探测工作面内部含水、导水构造等全空间探测问题，发射和接收分别放置在两个巷道中，相距一般较远，因此工作时一般采用低频信号发射与接收，这样才能在相距的两个巷道中施工时准确识别到工作面内部的有效信号，但由于现在常规的施工方法是直接将电极插入在巷道内，此时可能会出现电极插入在浮煤中接触不良或在电极附近存在正在运转的机器等影响，导致背景干扰太大，使得现场数据不好以及后期处理麻烦等问题。


技术实现要素：

4.针对常规矿井音频电透视出现的上述问题，本发明提出了一种煤矿井下孔-巷音频电透视探测系统及探测方法，通过将发射电极置于工作面顺槽的钻孔中，从而实现对工作面内部存在的不良构造进行精细探测以及压制背景干扰，准确定位异常目标体。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.本发明首先公开了一种煤矿井下孔-巷音频电透视探测系统，包括发射电极、接收电极、设置在煤矿井下工作面的两个顺槽中的多个钻孔；每个所述顺槽中的钻孔沿顺槽走向依次分布，发射电极布置在其中一个顺槽的钻孔中，所述接收电极布置在另一个顺槽底板处。
7.本发明通过将发射电极布置在底板较深的孔中，能够在背景常中明显识别出低阻异常区。
8.优选的，相邻钻孔的平面间距d满足关系式d＝0.32l～0.62l，其中，l表示工作面倾向宽度。若钻孔间距d过大，导致出现异常体的边界模糊，不能准确得出异常体的精确大小，若钻孔间距d过小，会使得工程量变大，施工难度增加。
9.本发明中，所述工作面倾向宽度是指工作面在水平面上投影的宽度。
10.优选的，所述接收电极的接收范围角度α满足关系式若接收角度α过小会存在盲区，导致出现异常体的边界模糊，不能准确得出异常体的精确大小，影响测量结果的准确性；若接收角度α过大，会增加工程量、不好施工。
11.优选的，所述钻孔孔深为15m～20m，这个范围可以避免巷道中的金属等背景干扰影响。
12.优选的，所述钻孔孔径为60mm～73mm。
13.优选的，所述接收电极的布置间距为10m～20m。
14.本发明具体实施中，所有发射电极通过电缆线连接至发射机，所有接收电极通过电缆线连接至接收机。接收电极一般置于底板8～10cm即可。
15.最好的，本发明中两个顺槽中的钻孔数量相同，两顺槽中的钻孔位置一般错位布置。
16.本发明还公开了一种煤矿井下孔-巷音频电透视探测方法，该方法采用本发明记载的煤矿井下孔-巷音频电透视探测系统对工作面异常区域进行探测，具体的方法包括以下步骤：
17.步骤1，对煤矿矿井所需要探测的工作面建立三维坐标系；
18.步骤2，按照本发明的煤矿井下孔-巷音频电透视探测系统中的记载在工作面的两个顺槽中设置钻孔；
19.步骤3，在工作面顺槽1的钻孔中布置发射电极并封孔，将发射电极通过线缆与发射机连接，在顺槽2中布置接收电极，将接收电极通过线缆与接收机连接；
20.根据步骤1建立的三维坐标系确定发射电极和接收电极的位置坐标；
21.步骤4，使用第一个发射电极发射，在顺槽2中按照接收电极的接收范围接收数据；
22.步骤5，按照步骤4完成其他发射电极的测量过程，获得测量数据；
23.步骤6，交替两个顺槽中接收电极和发射电极的巷道位置，将发射电极布置在工作面顺槽2的钻孔中，接收电极布置在顺槽1中，重复步骤4和步骤5，最终得到两条巷道的测量数据；
24.步骤7，根据步骤1建立的三维坐标系，将步骤6获得的两条巷道测量数据进行三维成像，对所测工作面区域内的煤矿灾害(如隐伏含水层、裂隙发育带以及陷落柱等)进行精确解释。
25.需要说明的是，在步骤4和步骤5获取测量数据的过程中，在发射及接收数据采集过程中需要记录好发射电极号、接收电极号及其相对应的坐标，便于对测量数据进行对应。对于同一次测量需要保证其设置的测量参数(如频率等)是一致的，若需要更改测量参数，则需要重复上述测量过程。一般改变频率再重复上述测量过程，获得至少两组测量数据。
26.优选的，所述步骤2具体为：首先统计煤矿巷道掘进之后留下来的已有钻孔信息，若这些钻孔能够满足要求，采用已有钻孔，若不能满足，处理已有钻孔使其满足要求或者不使用；然后根据已有钻孔情况补齐工作面两顺槽中的所有钻孔。其中已有钻孔的处理方式为：增加钻孔数量、增大孔径或加深深度，保证工作面两顺槽具有满足要求的钻孔。
27.优选的，所述步骤7中，采用ct成像法对条巷道测量数据进行三维成像，获得工作面电性变化图像，将电性参数大于阈值的区域作为工作面内异常区域。
28.本发明的ct成像法原理为：
29.利用穿过工作面内的沿许多电力线(由发射点到接收点)的电位降数据来绘制出采面电性变化图像。设x为供电点与测量点之间的连线，δu为电位降，则：
30.δu＝c∫
(x)
δ(x,y)dx
31.其中，c为调节系数，δ(x,y)为电性参数，即电导率，也是关于x，y的位置函数。
32.在处理中通过将研究区域剖分为j＝m
×
n个单元进行研究，也就是首先进行离散化网格，如图3所示。假定在网格剖分区域中，第j条射线穿过第i个单元，那么第j条射线上的电位降为：
[0033][0034]
式中，r
j,i
表示第j条射线在第i个单元内的长度(各单元序号是x，y的位置函数)，δ
j,i
表示第i个单元内的电性参数。
[0035]
上述为一条射线的电压降方程，则在此区域内所有射线的电压降方程为：
[0036]
δu＝x
·
δ
[0037]
式中x是由r
j,i
组成的矩阵。则求解区域所有问题变为：根据数据δu来计算δ的值。而由于所有的电压降方程组成一个超定方程组，难以求出精确解，在处理时采用多次迭代的近似值法求其近似解。
[0038]
层析成像解释图件是以多级颜色来划分电性递变规律的，按照数理统计学可把电导率数据分成率数据分成种级别。
[0039]
设定异常阈值，对于δ大于异常阈值的区域可定义为工作面内相对低阻异常区域。
[0040]
更优选的，所述阈值为其中为电性参数的算术平均值，δn为电性参数的标准偏差值。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
(1)当工作面顺槽底板存在较厚煤层时，传统矿井音频电透视方法受到高阻煤层的屏蔽作用，可能会漏报陷落柱等导水通道，造成突水事故；本发明的探测系统和方法因发射电极位于煤层底板，不受到高阻煤层的屏蔽影响，可以实现对工作面内部存在的不良构造进行精细探测以及压制背景干扰，准确定位异常目标体。
[0043]
(2)本发明的探测系统接收的电压幅值比传统的巷道音频电透视大，即信号增强，且随接收宽度的增大信号衰减不明显，即可更大范围的接收信号；且数据具有更高的信噪比，能甄别假异常区。
[0044]
以下将结合具体实施方式对本发明的其他优点进行补充说明。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例记载的钻孔发射电极布置示意图。
[0046]
图2是本发明实施例记载的系统布置及工作示意图。
[0047]
图3是本发明的ct成像法中网格剖分单元图。
[0048]
图4是本发明实施例中陷落柱模型数值模拟结果示意图；(a)为传统音频电透视数值模拟结果，(b)为本发明实施例1数值模拟结果。
[0049]
图5是钻孔间距和接收角度对检测结果的影响示意图。
[0050]
图6是不同接收角度下的测量结果；(a)为实施例1的接收角度获得的测量结果，(b)为对比模拟实验2中的接收角度获得的测量结果。
[0051]
图7是传统音频电透视和本发明孔—巷音频电透视的实测信号范围及强度，(a)为传统音频电透视的实测结果；(b)为本发明本发明孔—巷音频电透视的实测结果。
[0052]
图8是某矿工作面的平面图；(a)为实施例2记载的传统巷道音频电透视结果图，(b)为实施例2中记载的本发明孔—巷音频电透视结果图。
具体实施方式
[0053]
以下详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于以下特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0054]
在发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
[0055]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0056]
实施例1
[0057]
本实施例中采用数值模拟的方式对煤层工作面进行常规音频电透视探测与本发明的孔—巷音频电透视探测的实验。矿井音频电透视属于矿井直流电法分支，所以对于矿井音频电透视数值模拟依然遵循直流电法的边值问题，数值模拟求解时主要是要满足直流电法的三类边界条件。为了减少数值模拟计算量需要将计算范围限定在一个有界区域ω内，通过在有界区域的边界上施加合适的边界条件来限定有界区域内的电位值。也就是矿井音频电透视数值模拟求解的关键是限定好边界条件。
[0058]
首先是第一类边界条件：
[0059][0060]
式中，c为一个积分常数，r为边界面上任一点与点源的距离，上式表示电压u与电源距离有关，在无穷远边界处，可以假定电位为零。
[0061]
在地面边界γs处，由于空气电导率趋于0，地下的电流不可能流入地表之上，可以假定电流密度在地面边界法向分量为0，则对电位法向分量求偏导为0，即为第二类边界条件：
[0062][0063]
这两种边界条件都具有一定局限性，如第一类边界条件只适用于地面边界处，第二类边界条件只适用于无穷远边界；为了消除这种局限性，基于电位数值与距离成反比的
近似，得到以下混合边界条件，即第三类边界条件：
[0064][0065]
式中，θ为无穷远边界γ
∞
任意一点法向分量与这一点和点源所构成的向量的夹角，n表示地层层数。
[0066]
设置好上述三类边界条件后就可以进行数值模拟对煤层工作面进行常规音频电透视与孔—巷音频电透视的对比实验。
[0067]
本实施例模型中设置工作面长300m，宽300m，陷落柱位于工作面平面中心位置，垂向上距离巷道20m，背景电阻率设置为100ω
·
m，煤层电阻率设置为500ω
·
m，陷落柱电阻率设为10ω
·
m。
[0068]
图4的(a)图中的模型对应传统音频电透视系统的布置，可以看出，该模型在巷道底板设置有15m厚的煤层；(a)图中的模型对应着本发明的孔—巷音频电透视系统的布置，由于本发明的发射电极置于底板较深的钻孔中，在本模型中可以认为巷道底板不存在煤层。
[0069]
对图4中(a)和(b)的模型采用同样的方式布置2条测线，2条测线分别位于工作面两侧。在接收电极测线上布置有31个接收电极，两个接收电极间距为10m，方向与测线方向垂直。在发射电极测线上布置有4个发射电极，相邻发射电极间距为100m。
[0070]
工作面倾向宽度设置为300m，则根据可得到接收范围角度α≈100
°
～120
°
，最终选择105
°
作为本实施例的接收角度。
[0071]
测量完第一条测线后，将两条测线交换位置重复测量，最终获得两条巷道的测量数据。
[0072]
采用ct成像法对条巷道测量数据进行成像，获得工作面内异常区域。
[0073]
从图4的模拟结果可以看出，图(a)为传统音频电透视模型的探查结果，受底板高阻煤层对电流的屏蔽作用，导致探测成果图中未见明显异常；图(b)为采用孔—巷音频电透视模型的探测结果，采用孔中发射电极后，电流穿透了底板高阻煤层，在工作面内形成电力线，探测成果图中发现明显的陷落柱异常体。说明本发明探测系统较传统探测系统具有明显的优势。
[0074]
对比模拟试验1：
[0075]
为了验证钻孔间距d对探测结果的影响，增加不同钻孔间距的对比实验，本次对比实验除了改变钻孔间距d外，其余地层模型大小、异常体等设置都与前面实施例1中一致。本次对比模拟实验的钻孔间距设置为200m，即发射电极的间距设置为200m。按照实施例1记载的方式进行数据测量和成像。
[0076]
图5中左侧所示为本次模拟实验的结果示意图。可以看出，当钻孔间距d过大时，也即为发射电极数量较少时，结果显示存在明显的盲区，射线不能全覆盖，覆盖范围有限，导致出现异常体的边界模糊，不能准确得出异常体的精确大小，而减小钻孔间距d后能明显将异常体大小识别出来。但钻孔间距过小会使得工程量变大，施工难度增加。
[0077]
对比模拟实验2：
[0078]
本次对比模拟实验除了改变接收角度α外，其余设置都与前面实施例1中一致。由
于以往工作中常常以固定的接收点数量在20～30个，角度范围在80
°
～90
°
左右，因此本次对比模拟实验的接收角度α设置为85
°
。
[0079]
图5中右侧所示为本次模拟实验的结果示意图。可以看出，当接收角度α过小时，也即为接收点数量较少时，射线不能全覆盖，覆盖范围有限，存在明显的盲区，导致出现异常体的边界模糊，不能准确得出异常体的精确大小，而增大接收角度α后能明显将异常体大小识别出来。
[0080]
图6为实施例1的接收角度与对比模拟实验2中的接收角度的模拟结果对比，图(a)为实施例1的接收角度获得的测量结果，探测结果明显发现陷落柱异常体，宽度较为准确。图(b)为对比模拟实验2中的接收角度获得的测量结果，探测结果对陷落柱异常体反应不明显，宽度不准确。说明本发明的接收范围角度α具有更好的合理性。
[0081]
图7所示为传统音频电透视和本发明孔—巷音频电透视实测的信号范围及信号强度，(a)为传统音频电透视的实测结果；(b)为本发明本发明孔—巷音频电透视的实测结果。可以看出，本发明方法的实测信号强度明显高于传统音频电透视法的实测信号强度。
[0082]
实施例2
[0083]
本实施例对实际煤矿井下工作面进行探测。某矿107工作面自切眼起，沿进风、回风巷长为1700m，宽250m的范围。此次矿井孔-巷音频电透工作在107工作面进风、回风巷及切眼内进行。
[0084]
对107工作面进风、回风巷及切眼内的钻孔数量以及每个钻孔深度进行统计，对顺槽内的钻孔数量、孔径及深度未达到要求的需要进行增加数量、增大孔径及加深深度。
[0085]
对107工作面进风、回风巷及切眼内的钻孔数量要保证其能按照一定间隔进行布置，本次工作面倾向宽度为250m，则根据钻孔距离与倾向宽度的关系得：d＝0.32l～0.62l＝80～155m。而根据现场施工环境本次实验选择150m的钻孔间隔进行布置，钻孔孔径的尺寸要求在60mm～73mm之间，钻孔深度要求在20m左右。
[0086]
在107工作面进风、回风巷及切眼内进行测线布置，107工作面孔-巷音频电透的进风巷、回风巷测线布置均以切眼为起点，将发射电极置于煤层底板20m垂深的孔底，每个钻孔中设置一个发射电，采用黄土和泥浆封孔，将供电线缆一端连接发射电极，另外一端引出孔口连接发射机。在对巷内进行接收测线布置，按照间距10m在顺槽底板布置接收铜电极，铜电极置于底板8～10cm即可。将发射电极和接收电极的位置对应在三维坐标系中。
[0087]
此次107工作面孔—巷音频电透采用的工作方式为单极—偶极，施工时采用f＝15hz的供电频率及供电电流i＝100ma进行测量，首先使用1#发射电极发射，在对巷用相邻的接收电极进行接收。此次巷道倾向宽度为250m，则接收范围角度最终在实际中可以以大约120
°
的扇形范围接收数据，这与理论公式计算相符合。
[0088]
对发射电极按电极号重复测量一直到最后一个发射电极结束为止，并在发射及测量采集过程中记录好发射电极号、接收电极号及其相对应的坐标，得到一条巷道的测量数据。
[0089]
交换发射电极和接收电极的巷道位置，复上述测量过程，得到两条巷道的测量数据。
[0090]
对测量数据采用ct成像法进行成像，得到整个工作面的电导率等值线图，按照电导率值的划分就可得到异常低阻区域，进而对所测工作面区域内部的隐伏含水断层、裂隙发育带以及陷落柱等进行精确解释。探测结果如图8(b)所示。
[0091]
常规音频电透探测：
[0092]
在107工作面进风、回风巷及切眼内进行常规音频电透测线布置，测线布置方式、布置间隔、供电频率以及供电电流等都与实施例2中设置的一致，其差别仅在本次探测发射电极布置在顺槽中而并非钻孔中。探测结果如图8(a)所示。
[0093]
从图8的(a)和(b)可以看出，本发明的探测结果可靠准确。结果表明，在本次工作面巷道周围有各种金属的干扰影响，容易出现假异常，而本发明的孔-巷音频电透通过将电极布置在孔深20m处则避免了这些异常干扰，能够准确识别出真正的异常；且本发明的孔—巷音频电透视接收的电压幅值比巷道音频电透视大，随接收宽度的增大信号衰减不明显，其接收信号的范围更大，能够甄别出假异常区。