CN101706585A - 一种用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法。在隧道或巷道走向方向上，通过埋置于地下的长距离定源第一供电电极、第二供电电极建立顺隧道或巷道走向的近似均匀电流场，随着隧道掘进，通过埋置于巷道掌子面的测量电极和可置于巷道内或外的测量电极测量并记录在近似均匀电流场背景下的电场变化，根据电场变化规律来预测预报掌子面附近隐患的存在。电法仪器可置于地表设站观测，无须巷道内供电，电极布置简便，预警预报成本低，广泛适用于地下煤矿及矿山生产、交通、水利水电、地铁等含巷道或隧道施工的工程领域。

Description

一种用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法

技术领域

本发明涉及一种用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法。

背景技术

巷道或隧道掌子面前方存在的安全隐患，包括采空区以及岩溶、断层、瓦斯聚集体等等，与其周围围岩存在一定的电性差异，电法勘探用于隐患预报具有地球物理前提。目前用于隐患预测预报的电法勘探在巷道内开展工作，受空间限制和电场干扰因素的影响，难以获信噪比高的数据资料用于隐患预警预报；国外用于电法勘探的BEAM法，仪器装备昂贵，需要专门软件，国内极少引进，不便推广；另外，由于需要在巷道内供电，在煤矿等矿山生产中，考虑到安标因素，仪器的安标设计、供电电流的控制、供电电极等部件的处理难度很大，这也是电法勘探难以推广应用的又一原因；此外，电法仪器超前预报工作在每次测试时都需要技术人员把仪器带到井巷中，作业周期长，施工协调也不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种预报准确性高、使用安全、成本低廉且作业周期短，施工协调方便的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，在隧道或巷道走向方向上，在隧道或巷道走向的前端接地埋设第一供电电极，在隧道或巷道走向的后端接地埋设第二供电电极，第一供电电极为正极、第二供电电极为负极或第一供电电极为负极、第二供电电极为正极，第一供电电极和第二供电电极供电建立顺隧道或巷道走向的地下电流场，使地下电流场在隧道或巷道的待测巷道区段内近似均匀，在掌子面布设一个第一测量电极，另一个第二测量电极布设于隧道内或共用隧道、巷道走向的后端接地埋设的供电电极，随着隧道或巷道掘进，用置于地表的电法测量装置通过第一测量电极和第二测量电极测量并记录在近似均匀电流场背景下的电场或激发极化率的变化，根据电场或激发极化率的变化规律来预测预报掌子面附近隐患的存在，当掌子面迫近隐患时，激励响应电场或激发极化率都会出现明显而有规律的变化，利用这些变化特征准确预报隐患的存在并实现预警。

所述的第一供电电极和第二供电电极埋置于地表附近，或通过钻孔埋置于井中。

所述的第一供电电极和第二供电电极分别远离隧道或巷道拟测量段的端点，大于等于探测段长度2倍。

所述的第一供电电极和第二供电电极的设置根据巷道掘进进度分段进行布置。

采用上述技术方案的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，当掌子面迫近含水隐患(低阻)或空洞(高阻)、高瓦斯聚集区时，激励响应电场都会出现明显而有规律的变化，利用这些变化特征可以准确预报隐患的存在并实现预警；电法测量参数可以是电位、电场强度，也可以是激发极化率。具有如下几个特点：

一是所用设备无须安标处理，常规电法仪器即可胜任。

二是克服了在巷道内布极、供电的复杂作业程序，改为通过地表或钻井埋置电极，供电一次完成，建立在拟预报巷道区段上近似均匀分布的电流场，避开了电极处理、电流大小限制等麻烦。

三是技术人员和测量仪器仪表都可以不在掌子面，可以在地表建立观测站，方便快捷；由于在地表完成测量，可以通过电脑或报警装置来实时完成数据的存储、处理、图像显示和预警预报。

四是作为一种可选测量方式，可以仅在掌子面布设一个电极或电极组，通过一根导线即可连接到地表观测站。

五则测量数据为电场或激发极化率，即使不通过复杂计算程序，根据电场和激发极化率的渐变特征也可对隐患进行预警预报。

以本专利方法为基础可以作为一种成套设备的理论方法基础，通过设备集成，生产专业化装备，广泛应用于巷道工程安全施工，服务于国民经济建设各个领域。

综上所述，本发明是一种预报准确性高、使用安全、成本低廉且作业周期短，施工协调方便的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，无须巷道内供电，电极布置简便，预警预报成本低，广泛适用于地下煤矿及矿山生产、交通、水利水电、地铁等含巷道或隧道施工的工程领域。

附图说明

图1是地下均匀半空间中球体电场异常计算原理示意图；

图2是算例1巷道内掌子面电位随迫近模拟低阻隐患球心距离变化曲线；

图3是算例1巷道内掌子面电场强度随迫近模拟低阻隐患球心距离变化曲线；

图4是算例2巷道内掌子面电位随迫近模拟低阻隐患球心距离变化曲线；

图5是算例2巷道内掌子面电场强度随迫近模拟低阻隐患球心距离变化曲线；

图6是地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法测量工作布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

基本原理：

在电法勘探中，当第一供电电极和第二供电电极接地供电时，在第一供电电极和第二供电电极中间1/3或1/2段内电场变化很小，可以近似看作均匀电场；自然界中常见的近似等轴地质隐患，如地下溶洞、采空区空腔或囊状隐患等，可近似看作球体。

假设在均匀各向同性半空间岩体(电阻率ρ₁)中，掌子面6前方的地下隐患为一球体结构构造，其内充填介质电阻率为ρ₂。当充填介质为水或泥时，ρ₂＜ρ₂，为低阻异常体，当充填介质为空气时，ρ₂＞ρ₁，为高阻异常体。原理见图1。

假设球心电位为零电位，可以计算地下介质中球外顺电流场方向指向球心的任意一点P的电位：

$U=[1+2\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{2{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_1}{\left(\frac{r_0}{r}\right)}^3]j_0{\mathrm{\ρ}}_{1}r---\left(1\right)$

式中，r₀为球体隐患的半径，r为观测点距离球体中心的距离，h为P点到球体表面的距离，j₀为均匀电流场的电流密度，方向为隧道走向x。式中第一项为球体存在时背景电位，第二项为异常电位。

如果取电场强度为观测信号，其表达式为：

$E=j_0{\mathrm{\ρ}}_1-4\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{2{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_1}{\left(\frac{r_0}{r}\right)}^3{j}_0{\mathrm{\ρ}}_1---\left(2\right)$

可求出电场强度异常百分比：

$P_E=4\×\left|\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{2{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_1}{\left(\frac{r_0}{r}\right)}^2\right|\×100\%---\left(3\right)$

对地下空间任意一点，在电法勘探中存在电场强度与视电阻率关系：

ρ_s＝E/j₀                            (4)

因此，电场强度的测量数据可以转换成视电阻率结果，电场强度的异常变化率也可以相当于视电阻率的异常变化率。

根据表达式(3)可以计算出电场强度测量时的理想分辨能力，如表1所示，以10％为有效异常计算极限分辨能力，极限分辨能力表征参数为h/r₀。从表1可以看出，对于球状结构异常，本发明提及的电法勘探方法具有很好的分辨能力。

表1.地下均匀半空间中顺电流场从径向接近球体隐患时的极限分辨能力

如果隐患为低阻或高阻的圆柱状异常体，则对于垂直于巷道走向方向的同样半径异常体，电法勘探的分辨能力还可以提高；对于断层一类的板状体隐患，经过计算，电法勘探也有好的分辨能力；对于以激发极化法为电法勘探原理的论述可以参考相关资料，这里不做赘述。

以上理论为隐患电法超前预报提供了理论支撑。

算例1：

对于储水隐患，如球体隐患半径取5米，内充填水体电阻率50欧姆米，围岩电阻率为1000欧姆米，电流密度取0.1mA/m²，r取6米～100米，如图中所示横坐标。根据公式1和公式3分别计算观测点P的电位和电场强度。

从图2可以看出，对于上述模拟隐患，当掌子面从100米距离前移至20米接近低阻隐患体时，电位从500mV降低至100mV；从图3可以看出，在掌子面迫近隐患时，如图中40米至6米时，电场强度急剧减小。

算例2：

对于无充填溶洞等球状隐患，球体隐患半径取5米，空腔球体电阻率为无穷大(∞)，围岩电阻率为1000欧姆·米，电流密度取0.1mA/m²，r取6米～100米，为图3中所示横坐标。根据公式1和公式3分别计算观测点P的理论电位和电场强度。

从图4可以看出，对于上述模拟隐患，当掌子面从100米距离前移至20米接近高阻隐患体时，电位从10V降低至2V；从图5也可以看出，在掌子面迫近隐患时，如图5中40米至6米时，电场强度急剧减小。

值得注意的是，从两个算例中电场强度分布特征可以看出，当掌子面迫近隐患时，电场强度急剧变化，是很好的预警参数或标志。

测量方法1：参见图6，准备电法仪器11如电法勘探用电场测量仪器或激发极化法测量仪器一套，笔记本电脑2一台，供电电源9通过同步电缆10与电法仪器11连接，电法仪器11通过通讯线17与笔记本电脑2连接，这些设备均布置于地表15上。根据设计隧道或巷道的进出口位置以及前进方向，在地表15其走向上，于待测巷道区段外延长线14上布置第一供电电极12、第二供电电极13，第一供电电极12和第二供电电极13埋置于地表15附近，或通过钻孔埋置于井中，第一供电电极12和第二供电电极13距离大于等于预测段距离2倍，巷道埋深大则增大供电极距或电极深度，第一供电电极12和第二供电电极13的设置根据巷道掘进进度分段进行布置。第一供电电极12、第二供电电极13通过导线1分别连接至电法仪器的供电电源9的正、负极；已掘进巷道5前端为待掘进巷道8，已掘进巷道5后端连接巷道竖井4，在隧道掌子面6埋置第一测量电极7作为测量电极正极，该点同时也是电位测量的记录点，设坐标为x；第二测量电极与供电电极的第二供电电极13(负极)导线连通；外接电源连接至电法仪器11。开启电法仪器11，电法仪器11的测量数据电位差ΔU_M(x)或极化率a(x)通过端口输出或读数至电脑2存储并绘制ΔU_MN(x)-x曲线或a(x)-x曲线显示，电场强度可由相邻两观测点的电位差近似求取，相对于正常背景电场，电场强度或极化率的突变表征掌子面6附近或前方有隐患存在；电脑2利用其内置喇叭3或多级颜色预警等作为报警装置，也可通过其它通讯方式通知巷道施工现场。

测量方法2：准备电法勘探用电场测量仪器或激发极化法测量仪器一套，笔记本电脑一台。根据设计隧道或巷道的进出口位置以及前进方向，在地表15其走向上，于待测巷道区段外延长线上布置第一供电电极12、第二供电电极13，第一供电电极12、第二供电电极13距离大于预测段距离2倍，巷道埋深增大则增大供电极距或电极深度；第一供电电极12、第二供电电极13通过导线1分别连接至电法仪器11的正、负极；第一测量电极7、第二测量电极极置于巷道内同一侧，并在后续测量中保持第一测量电极7、第二测量电极的极距不变并沿巷道走向布置，测量电场的记录点位于第一测量电极7、第二测量电极中点，设其坐标为x，第一测量电极7、第二测量电极通过导线1分别连接至电法勘探仪器的输入端；开启电法仪器11，电法仪器11的测量数据ΔU_MN(x)或极化率a(x)通过端口输出或读数至电脑存储绘制ΔU_MN(x)-x曲线或a(x)-x曲线显示，相对于正常背景电场，电场或极化率的突变表征掌子面6附近或前方有隐患存在；电脑2利用其内置喇叭3或多级颜色预警等作为报警装置，也可通过其它通讯方式通知巷道施工现场。

Claims (4)

1.一种用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，其特征是：在隧道或巷道走向方向上，在隧道或巷道走向的前端接地埋设第一供电电极，在隧道或巷道走向的后端接地埋设第二供电电极，第一供电电极为正极、第二供电电极为负极或第一供电电极为负极、第二供电电极为正极，第一供电电极和第二供电电极供电建立顺隧道或巷道走向的地下电流场，使地下电流场在隧道或巷道的待测巷道区段内近似均匀，在掌子面布设一个第一测量电极，另一个第二测量电极布设于隧道内或共用隧道、巷道走向的后端接地埋设的供电电极，随着隧道或巷道掘进，用置于地表的电法测量装置通过第一测量电极和第二测量电极测量并记录在近似均匀电流场背景下的电场或激发极化率的变化，根据电场或激发极化率的变化规律来预测预报掌子面附近隐患的存在，当掌子面迫近隐患时，激励响应电场或激发极化率都会出现明显而有规律的变化，利用这些变化特征准确预报隐患的存在并实现预警。

2.根据权利要求1所述的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，其特征是：所述的第一供电电极和第二供电电极埋置于地表附近，或通过钻孔埋置于井中。

3.根据权利要求1或2所述的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，其特征是：所述的第一供电电极和第二供电电极分别远离隧道或巷道拟测量段的端点，大于等于探测段长度2倍。

4.根据权利要求1或2所述的用于地下掘进工程中的隐患电法超前预报方法，其特征是：所述的第一供电电极和第二供电电极的设置根据巷道掘进进度分段进行布置。

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