CN102213773A - 巷道多方位超前探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于巷道掘进时对巷道迎头前方及周边的含水体或其他不良地质体进行探测的巷道多方位超前探测方法，首先，切断巷道中全部工业用电电源，清除巷道内自由测量空间内的金属件，然后利用瞬变电磁仪采用分体式测量模式对巷道进行多方位超前探测，探测过程中利用几何定向法或坡度规定向法确定探测方位。本发明将常规超前探测的“一维探测”拓展为“多维探测”，可最大限度地查明巷道掘进波及范围内隐伏突水隐患情况，为掘进安全提供物探技术依据；本发明扩大了巷道迎头超前探测的探测范围和探测距离，大大提高了探测效率，在确保掘进安全、配合高产高效矿井快速掘进、提高生产效率方面，现实意义巨大。
Description
技术领域
本发明涉及一种巷道超前探测技术，属于地球物理勘探领域，特别涉及一种用于巷道掘进时对巷道前方及周边的含水体或者其他不良地质体进行探测的巷道多方位超前探测方法。
背景技术
突水，是威胁我国煤矿安全的第二大杀手，其危害程度仅次于瓦斯事故。1995～2006年，全国发生各类突水事故1424起，死亡5432人，经济损失超过200亿元。其中，掘进突水占突水总数的70％以上，而且其危害程度更是冠绝所有突水类型。
现在我国常用于煤矿井下突水构造的物探方法有：钻探、地面物探和井下物探。钻探主要指井下钻探，用于巷道迎头超前探测，直观、明确，有水无水一目了然。但其缺点也很突出，且不考虑工期、造价等因素，其探测、控制范围小，仅仅是“一孔之见”，有时钻孔距水体只有几米远也无法探出，容易漏掉突水隐患是其致命弱点。而且由于井下施工面临水压大，存在高压地下水沿钻孔突出、酿成次生事故的风险。
地面物探包括三维地震、瞬变电磁、电法等，由于方法自身局限性以及受地形变化、目标体埋深大等影响，不仅分辨率无法满足生产需要、探测效果不理想，有时甚至无法开展工作。
矿井电法、无线电波坑道透视、电透视、槽波地震、瑞利波、地质雷达、TSP等，在井下探水、探构造方面，各有优势，也有一定效果。但要用于巷道迎头超前探测，则都存在种种不足或缺陷。无线电波坑道透视、槽波地震，能探构造但不能探水；矿井电法、电透视对水敏感，但定向性差；瑞利波、地质雷达定向性好，但测距小、对水不敏感。
目前，国内较多采用的矿井电法超前探测技术，可以探测巷道迎头前方100 m范围内有无大的导水构造及水体，但其最大的缺点是只能对巷道正前方（顺巷道延长线方向）进行探测，控制范围是一条线，属于“线探测”范畴。在巷道掘进波及范围内的侧前方及顶、底板方向，存在很大的探测盲区。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以对巷道迎头的正前方、侧前方、斜上方、斜下方等多个方位进行异常地质情况探测的巷道多方位巷道探测方法。
为解决上述技术问题本发明采用的技术方案为：一种巷道多方位超前探测方法，首先，切断巷道中全部工业用电电源，将巷道迎头前方20m内自由测量空间中的大型金属件全部清除，然后，利用瞬变电磁仪采用分体式测量模式进行巷道超前探测，所述瞬变电磁仪包括发射机、发射线圈、接收机、接收线圈、前置放大器和数据采集绘图系统，其步骤如下：
（一）安装发射机和发射线圈、接收机和接收线圈，所述接收线圈的后端面或前端面距巷道迎头的距离为d1，d1小于1m，所述发射线圈的后端面或前端面的距巷道迎头的距离为d2，d1小于d2，所述接收线圈与发射线圈之间的区域为测量施工区域，所述两线圈相对端面之间的距离为10m-12m，将所述发射线圈的后端面或前端面设置于所述测量施工区域的底面的前边沿上，将所述接收线圈的后端面或前端面设置于所述测量施工区域的底面的后边沿上；
（二）在关闭所述发射机的情况下，利用所述接收机测量所述巷道内的环境噪声；
（三）利用几何定向法或坡度规定向法确定探测方位，将通过所述巷道纵向中心轴线的竖直面作为水平方位角基准面，将通过所述巷道横向中心轴线的水平面作为仰俯角基准面；
a所述几何定向法的具体步骤如下：
（1）设所述发射线圈的后端面或前端面的纵向中心轴线与所述测量施工区域的底面的前边沿的交点为第二交点，所述接收线圈的后端面或前端面的纵向中心轴线与所述测量施工区域的底面的后边沿的交点为第一交点，同步调整所述接收线圈与发射线圈，使两线圈的相对端面与所述第一交点和第二交点的连线相垂直，所述第一交点和第二交点的连线与所述水平方位角基准面的夹角为α；
（2）以仰俯角基准面为零度面，以所述发射线圈和接收线圈相对端面的水平中心轴线为旋转轴同步调整两线圈的仰角或俯角；每调整一次仰角或俯角，利用所述接收机对反映巷道周围岩层构造特性的感应电磁波信号进行一次测量操作；在调整仰角或俯角过程中，所述接收线圈与发射线圈的相对端面始终保持平行；按照上述操作完成对巷道迎头前方水平方位角为α的扇形区域的探测；
（3）将所述发射线圈和接收线圈分别沿各自所在的测量施工区域底面的边沿移动，按照上述第（1）步骤、第（2）步骤的操作方法，完成对所述巷道迎头前方多方位区域的探测；
b 所述坡度规定向法的具体步骤如下：
（1）同步调整所述发射线圈和接收线圈，使两线圈的相对端面平行于巷道迎头且相对端面中心点的连线与所述水平方位角基准面平行，将所述发射线圈和接收线圈沿相对端面的纵向中心轴线按逆时针或顺时针方向同步水平旋转，旋转过程中两线圈的相对端面保持平行，使两线圈相对端面的法线与所述水平方位角基准面之间的夹角为β；
（2）按照所述第a步中第2步骤的操作完成对巷道迎头前方方位角为β的扇形区域的探测；
（3）改变发射线圈的端面法线和接收线圈的端面法线与所述水平方位角基准面之间的夹角β，按照所述第b步中的第（1）步骤和第（2）步骤的操作方法，完成对所述巷道迎头前方多方位区域的探测。
采用上述技术方案取得的有益效果如下：
（1）本发明将常规超前探测只能控制正前方一条线的“线探测”，扩展为以巷道迎头为顶点、平面控制范围为扇形、空间控制范围为正四棱锥体的“体探测”，将“一维探测”扩展为“多维探测”；探测控制范围覆盖巷道正前方、侧前方、斜上方、斜下方等多个方位，可最大限度地探测、查明巷道掘进时所波及的范围内隐伏突水隐患情况，为掘进安全提供物探技术依据；
（2）本发明中接收线圈与巷道迎头之间的距离小于发射线圈与巷道迎头之间的距离，即采用接收线圈在前发射线圈在后的“收前发后”的分体式探测模式，而且探测过程中两线圈的中心轴线相对独立，最大限度的减少了巷道内部环境条件对测量的干扰和影响，使得现场测量信号稳定，数据质量好；而且此种探测模式克服了由于巷道空间狭小，造成同类探测技术适应性差、探测范围小的弊端；
（3）本发明采用了几何定向和坡度规定向两种方位定向法，排除了外界环境对方位定向的各种影响，操作简便、快捷、实用，测量效果好，提高了工作效率。
（4）本发明大大提高了巷道迎头超前探测的探测范围、探测距离和探测效率，在确保掘进安全、配合高产高效矿井快速掘进、提高生产效率方面，现实意义巨大。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为采用几何定向法进行测量的主视图；
图3为图2沿A-A向的剖视图；
图4为采用坡度规定向法进行测量的主视图；
图5为图4沿A-A向的剖视图；
其中，1、左侧帮，2、接收线圈，3、右侧帮，4发射线圈，5、前边沿，6、后边沿，7、巷道迎头，8、第一交点，9、第二交点。
具体实施方式
下面结合实施例对上述发明内容中所述的技术方案进行详细描述：
实施例1（参见图2和图3）
实施例1探测巷道的宽度为4m，采用TEM-47瞬变电磁仪，TEM-47瞬变电磁仪包括发射机、发射线圈4、接收机、接收线圈2、前置放大器和数据采集绘图系统，所述发射线圈4和接收线圈2相对独立，其中，发射线圈4为边长为1m的正方形线圈，所述接收线圈2为直径为1m的圆形线圈。
首先，切断所述巷道内的全部工业用电电源，令掘进机自巷道迎头7后退20m，让出可以进行探测的自由测量空间，将自由测量空间内的金属件清除，以免在测试过程中产生各种干扰信号；然后利用TEM-47瞬变电磁仪采用分体式测量模式进行巷道超前探测，其步骤如下：
（一）安装发射机和发射线圈4、接收机和接收线圈2，所述接收线圈2的后端面（或前端面）距巷道迎头7的距离为1m，所述发射线圈4的后端面（或前端面）距巷道迎头7的距离为11m，所述接收线圈2与发射线圈4之间的区域为测量施工区域，所述两线圈相对端面之间的距离约为10m；将所述发射线圈4的后端面（或前端面）设置于所述测量施工区域的底面的前边沿5上，所述发射线圈4的中心轴线距离所述巷道的右侧帮3的距离为0.5m；将所述接收线圈2的后端面（或前端面）置于所述测量施工区域的底面的后边沿6上，所述接收线圈2的中心轴线距离所述巷道的左侧帮1的距离为0.5m；
（二）在关闭所述发射机的情况下，利用所述接收机测量所述巷道内的环境噪声；
（三）利用几何定向法确定探测方位，将通过所述巷道纵向中心轴线的竖直面作为水平方位角基准面，将通过所述巷道横向中心轴线的水平面作为仰俯角基准面；
所述几何定向法的具体步骤如下：
（1）设所述发射线圈4的后端面（或前端面）的纵向中心轴线与所述测量施工区域的底面的前边沿5的交点为第二交点9，所述接收线圈2的后端面（或前端面）的纵向中心轴线与所述测量施工区域的底面的后边沿6的交点为第一交点8，同步调整所述接收线圈2与发射线圈4，使两线圈的相对端面与所述第一交点8和第二交点9的连线相垂直，所述第一交点8和第二交点9的连线与所述水平方位角基准面的夹角为α；利用三角函数公式计算出α=17°；
（2）以仰俯角基准面为零度面，以所述发射线圈4和接收线圈2相对端面的横向中心轴线为旋转轴同步调整两线圈的仰角（或俯角）；每调整一次仰角（或俯角），利用所述接收机对反映巷道周围岩层构造特性的感应电磁波信号进行一次测量操作；在调整仰角（或俯角）过程中，所述接收线圈2与发射线圈4的线圈相对端面始终保持平行；按照上述操作完成对巷道迎头7前方水平方位角为17°的扇形区域的探测；
（3）将所述发射线圈4和接收线圈2分别沿各自所在的测量施工区域底面的边沿移动，其中，发射线圈4保持位置不变，接收线圈2沿所在的测量施工区域的后边沿6以1m步距自左向右逐步移动，每移动一步，就要按照上述第（1）步骤、第（2）步骤的操作方法进行一次电磁波信号测量操作；按照此种方式，当所述接收线圈2移动到巷道的右侧帮3时，即可完成对所述巷道迎头7前方多方位区域的探测。
上述探测过程中，可利用坡度规测量两线圈的相对端面相对于仰俯角基准面的仰角（或俯角）的角度，测量时，坡度规设置于发射线圈4或接收线圈2的纵向边框上，坡度规的零度线与发射线圈4或接收线圈2的横向边框平行；
上述探测过程可以实现对巷道迎头7左前方17°、左前方11°、左前方6°、正前方0°、右前方6°、右前方11°、右前方17°对应的扇形区域的探测。
利用上述探测方法对磁县六合工业有限公司2501主巷底板突水点进行探测，主巷底板标高-300 m。由探测数据形成的分析曲线总体呈似层状展布，探测控制范围内未发现低阻含水异常存在。此后，矿方施工了3个探查钻孔，未见任何地质异常及水文地质异常，巷道继续掘进，顺利通过该地区也未见任何异常，证实了瞬变电磁探测结论。
辽源矿业集团公司金宝屯矿的南翼运输大巷掘进遇断层发生涌水，初始水量0.96 m3/h，巷道揭露断层48m后，水量增加至24～25 m3/h。利用上述探测方法对南翼运输大巷进行探测，在巷道迎头的水平方向上对左前方16.7°、左前方11.3°、左前方8.5°、0°（正前）、右前方8.5°、右前方11.3°、右前方16.7°等共7个角度对应的区域进行了探测；在垂直方向对仰角+20°、+10°、0°、-10°、-20°等5个角度对应的区域进行了探测。探测数据显示在巷道迎头前方70m左右存在大片低阻异常。巷道掘进72 m后，刚刚进入探测异常区后，迎头发生出水，总水量为83 m3/h，矿井排水压力骤增，此结果证明了整个探测结果的真实性和可靠性。
实施例2（参见图4和图5）
与实施例1不同的是，探测过程中，实施例2采用所述坡度规定向法进行定向，所述坡度规定向法的具体步骤如下：
（1）同步调整所述发射线圈4和接收线圈2，所述接收线圈2放置于所述测量施工区域的底面的后边沿6的中间，所述发射线圈4放置于所述测量施工区域的底面的前边沿5的中间，两线圈相对端面的中心点位于所述水平方位角基准面上，两线圈的相对端面与所述巷道迎头7平行；将所述发射线圈4和接收线圈2沿两线圈相对端面的纵向中心轴线按逆时针（或顺时针）方向同步水平旋转，旋转过程中两线圈的相对端面保持平行，使两线圈相对端面的法线与所述水平方位角基准面之间的夹角为20°。
（2）按照实施例1中第（2）步骤的操作完成对巷道迎头7前方水平方位角为20°的扇形区域的探测；
（3）在实际要求范围内改变发射线圈4的端面法线和接收线圈2的端面法线与所述水平方位角基准面之间的夹角，按照所述第2中的第（1）步骤和第（2）步骤的操作方法，完成对所述巷道迎头7前方多方位区域的探测。
利用坡度规定向法进行探测，平面探测控制范围可大幅度增大，探测范围可达到巷道迎头7前方180度的半圆形区域，适当调整仰角（或俯角），便可实现巷道迎头7前方半球形区域的探测。
上述探测过程中，可利用坡度规测量所述发射线圈4和接收线圈2的相对端面相对于水平方位角基准面的方位角角度，测量时，坡度规的底边与所述巷道纵向中心轴线平行放置，坡度规的零度线与所述巷道的横向中心轴线重合。
所述发射线圈4和接收线圈2的仰角（或俯角）角度的测量方法与实施例1中的测量方法相同。
针对冀中能源股份公司邢东矿1121运输巷掘进中发生底板钻孔出水、顶板淋水情况，掘进到导27点前69 m时，迎头及左帮煤壁出水，总涌水量达到17.4 m3/h，接着煤壁出水变混，出现明显的突水征兆。采用上述探测方法以突水段为中心对斜下方-15°、-30°、-50°等3个角度对应的区域进行了多方位超前探测，测试出在距离巷道迎头150 m的出水段附近浅部存在一个小的低阻异常区，但范围很小，出水巷段下方及周围岩层无明显低阻异常存在。
冀中能源股份公司葛泉矿13507工作面中间巷掘进中发生底板出水，水量20m3/h，采用上述探测方法在距突水点约60m的13508运料巷进行多方位超前探测。在平面方位上对110°～190°等9个角度对应的区域进行探测；垂直方向上对仰角为+30°、+20°、+10°、-10°、-20°、-30°等6个角度对应的区域进行探测。探测结果显示，突水点右侧存在一个低阻异常区，低阻区位置恰好处于几条小断层交汇部位，表明该出水源于断层交叉点附近，直接原因系中间巷揭露小断层引起。
采用上述探测方法在吉煤集团西安矿1011中间通路进行巷道多方位超前探测。在水平方向对正前0°、左前方6°、左前方11°、左前方17°、左前方27°等5个角度对应的区域进行了探测，垂直方向上对仰角为 +35°、+45°、+55°、+65°等4个角度对应的区域进行了探测。探测结果表明在小窑井底车场附近存在低阻异常，但均为封闭式异常，向外围延伸有限，表明巷道存在积水，但积水范围有限。正常情况下，一般不会发生回采透水事故。从而为1011工作面安全回采提供了物探技术依据。
Claims (1)
1.一种巷道多方位超前探测方法，其特征在于：
首先，切断巷道中全部工业用电电源，将巷道迎头（7）前方20m内自由测量空间中的金属件全部清除，然后，利用瞬变电磁仪采用分体式测量模式进行巷道超前探测，所述瞬变电磁仪包括发射机、发射线圈（4）、接收机、接收线圈（2）、前置放大器和数据采集绘图系统，其步骤如下：
（一）安装发射机和发射线圈（4）、接收机和接收线圈（2），所述接收线圈（2）的后端面或前端面距巷道迎头（7）的距离为d1，d1小于1m，所述发射线圈（4）的后端面或前端面距巷道迎头（7）的距离为d2，d1小于d2，所述接收线圈（2）与发射线圈（4）之间的区域为测量施工区域，所述两线圈相对端面之间的距离为10m-12m，将所述发射线圈（4）的后端面或前端面设置于所述测量施工区域的底面的前边沿（5）上，将所述接收线圈（2）的后端面或前端面设置于所述测量施工区域的底面的后边沿（6）上；
（二）在关闭所述发射机的情况下，利用所述接收机测量所述巷道内的环境噪声；
（三）利用几何定向法或坡度规定向法确定探测方位，将通过所述巷道纵向中心轴线的竖直面作为水平方位角基准面，将通过所述巷道横向中心轴线的水平面作为仰俯角基准面；
a所述几何定向法的具体步骤如下：
（1）设所述发射线圈（4）的后端面或前端面的纵向中心轴线与所述测量施工区域的底面的前边沿（5）的交点为第二交点（9），所述接收线圈（2）的后端面或前端面的纵向中心轴线与所述测量施工区域的底面的后边沿（6）的交点为第一交点（8），同步调整所述接收线圈（2）与发射线圈（4），使两线圈的相对端面与所述第一交点（8）和第二交点（9）的连线相垂直，所述第一交点（8）和第二交点（9）的连线与所述水平方位角基准面的夹角为α；
（2）以仰俯角基准面为零度面，以所述发射线圈（4）和接收线圈（2）相对端面的水平中心轴线为旋转轴同步调整两线圈的仰角或俯角；每调整一次仰角或俯角，利用所述接收机对反映巷道周围岩层构造特性的感应电磁波信号进行一次测量操作；在调整仰角或俯角过程中，所述接收线圈（2）与发射线圈（4）的线圈的相对端面始终保持平行；按照上述操作完成对巷道迎头（7）前方水平方位角为α的扇形区域的探测；
（3）将所述发射线圈（4）和接收线圈（2）分别沿各自所在的测量施工区域底面的边沿移动，改变所述第一交点（8）和第二交点（9）的连线与所述水平方位角基准面的夹角α，按照上述第（1）步骤、第（2）步骤的操作方法，完成对所述巷道迎头（7）前方多方位区域的探测；
b 所述坡度规定向法的具体步骤如下：
（1）同步调整所述发射线圈（4）和接收线圈（2），使两线圈的相对端面平行于巷道迎头（7）且相对端面中心点的连线与所述水平方位角基准面平行，将所述发射线圈（4）和接收线圈（2）沿相对端面的纵向中心轴线按逆时针或顺时针方向同步水平旋转，旋转过程中两线圈的相对端面保持平行，两线圈相对端面的法线与所述水平方位角基准面之间的夹角为β；
（2）按照所述第a步中第（2）步骤的操作完成对巷道迎头（7）前方方位角为β的扇形区域的探测；
（3）改变发射线圈（4）的端面法线和接收线圈（2）的端面法线与所述水平方位角基准面之间的夹角β，按照所述第b步中的第（1）步骤和第（2）步骤的操作方法，完成对所述巷道迎头（7）前方多方位区域的探测。
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