CN102768369A - 巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头 - Google Patents
巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头，探头置于钻孔，将供电负电极B安装在钻孔外的巷道中，供电负电极B与现场主机由供电电缆连接；探头上有供电正电极A、测量电极M、测量电极N安装在钻孔内，探头上的有供电正电极A、测量电极M、测量电极N通过供电电缆及信号电缆与现场主机连接，供电正电极A与钻孔外的供电负电极B构成供电电极；现场主机通过探头上的测量电极M、测量电极N测量电场变化信号，输入到主机计算探测目标体的视电阻率和视极化率；推进探头，在每一测点重复上述步骤，测定各点的视电阻率和视极化率，生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；计算视电阻率和视极化率的变化率，判定以钻孔轴线为中心圆柱空间内地质构造。
Description
技术领域
本发明涉及一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头，属于应用地球物理学电法探测的激发极化法的技术领域，尤其涉及巷道掘进面前方及周边含水体或其他不良地质体的电法超前探测与预报技术。
背景技术
超前探测主要上在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测，探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道，为巷道的安全掘进提供详细的探测资料。
目前用于煤矿超前探测的直接方法为钻探方法，钻探结果比较可靠，但施工周期较长，费用较高，对巷道的正常生产影响较大。超前探测的间接方法即采用物探方法进行探测。可用于超前探测的物探方法主要有四种方法——三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法、地震波法和矿井地质雷达法。其中地震波法主要解决地质构造界面的问题，对构造的富水性无法进行解释；矿用地质雷达现在主要处于研究试用阶段，其探测深度较小。
利用井下钻孔进行的超前探水技术是应煤矿井下巷道掘进安全的需要而提出的。一方面，水害是影响煤矿安全生产的最大隐患之一，而水害主要发生在巷道掘进和开采两个阶段；另一方面，近些年来对于开采阶段突水灾害的预测做了许多的水文物探工作，积累了丰富的经验并且较好地预防因采动引起的突水事故发生。但是，由于受施工空间的限制，巷道掘进中的前方水文地质一直没有有效的手段，普遍采用的手段就是在可疑区域打探孔，但是数量有限的探孔推断前方水文地质情况具有很大的局限性，无法确定前方岩层赋水性的三维空间分布情况，针对这种情况，我们提出了利用有限数量的探孔进行电法超前探水预报，以评价掘进前方的水文地质情况。
所有的物探方法对被探测物体的分辨率有一定的要求，被探测的物体大小、埋深、物体与围岩介质的物性差异大小和探测仪器的精度有关。以被探物体为球型水体为例，一般电法的探测物体的埋深是物体直径的2~5倍（h/r＝2~5倍,h－为埋深，r－球体半径），物体越大，介质物性差异越大、仪器精度越高，则探测深度越深。因此，三极法和瞬变电磁法用于超前深部探测时，常常被认为探测效果不佳。
激发极化效应：
在充电和放电过程中,由于电化学作用引起的这种随时间缓慢变化的附加电场现象,称为激发极化效应(IP效应)。
激发极化法：
以不同岩矿石的激电效应之差异为物质基础,通过观测和研究大地激电效应,以探查地下地质情况的一种勘探方法。岩石的激发极化效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层有关，矿物颗粒细小(如由黏土矿物组成)的岩石，充、放电速度很快,而颗粒较粗(如砂或砂砾组成)的岩石,充、放电速度则较慢。这对评价激电异常和利用激电法找水很有实际意义,也是用激电法寻找地下水的地球物理前提。 IP探测最大的优点是对水的反映直观,受地形影响小。
激发极化法（IP）被誉为“找水新法”，早在上世纪60年代，国外学者Victor Vacquier等提出了用激电二次场衰减速度找水的思想。在该思想的启迪下，我国也开展了有关研究，并将激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激化比等特征参数，这些参数不仅能较准确地找到各种类型的地下水资源，而且可以在同一水文地质单元内预测涌水量大小，在找水实践中发挥了越来越重要的作用，因此，利用电阻率法和IP法找水已形成行内共识。
检索文献：
【1】“瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用”，原载杂志“中国矿业大学学报”，2005,34(4):414～417；作者：刘树才，刘志新，姜志海。
【2】“地震勘探技术在煤矿水害防治中的应用”，原载杂志“中国煤田地质”，1999,11(增):70～73；作者：倪新辉，刘玉珠，高建文。
【3】“井下电法超前探测方法及其应用”，原载杂志“煤田地质与勘探”，2001,29(5):60～62；作者：刘青雯。
【4】“巷道直流电测深在探测陷落柱中的应用”，原载杂志“中国矿业大学学报”，2003,32（5）:479～481；作者：岳建华，刘树才，刘志新等。
【5】“煤矿水文物探技术与应用”中国矿业大学出版社，8～14，71～85，岳建华，刘树才，刘志新。
以上这些地球物理方法都是一种巷道或工作面的的超前探测方法，由于巷道或工作面干扰较大，巷道内掘进机、巷道底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施对观测结果影响较大，现场施工设计、数据观测及成果分析、解释较复杂，并且探测参数单一，只利用电阻率一个参数，排除多解性能力差，结果存在多解性，常采用的措施是多种方法结合使用，但这样又大大增加了超前预报费用。
发明内容
本发明的目的是提出一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水测预报方法、装置及探头，通过这种方法，可对掘进巷道迎头的钻孔周围和孔底20～30米范围内进行富水体及导水通道等有害地质体进行精细有效的探测预报。
本发明的技术方案：本发明的巷道掘进钻孔激发极化超前探水测预报方法采用时域或频域多频电场信号作为测试信号，采用探头置于钻孔的测量方法，将供电负电极B安装在钻孔外的巷道中，供电负电极B与现场主机由供电电缆连接；供电正电极A安装在钻孔内，测量电极M与测量电极N安装在钻孔内，供电正电极A与钻孔外的供电负电极B构成供电电极；探头上有供电正电极A、测量电极M、测量电极N，通过供电电缆及信号电缆与现场主机连接，具体步骤如下：
１）探头置于钻孔孔口，现场主机通过探头上的供电电极A与供电电极B向大地供电，产生时域或频域多频电场，通过探头上的测量电极M、测量电极N测量电场变化信号，经预处理和A/D转换为数字信号，输入到主机的中央处理单元；
2）现场主机的中央处理单元计算探测目标体的视电阻率和视极化率；
3）根据设定的步距，利用推杆推进探头，在每一测点重复步骤1）、步骤2），探头从钻孔孔口逐步推到孔底进行逐点扫描探测，测定各点的视电阻率和视极化率，已测测点逐点生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；
4）根据计算的视电阻率和视极化率的变化率，判定以钻孔轴线为中心、半径20～30米圆柱空间内及钻孔底部20～30米范围内是否存在含水体或含水地质构造。
所述供电负电极B放置在巷道掘进方向后方，安装在钻孔外距钻孔孔口100～200米处，利用巷道掘进的一个钻孔进行超前探水探测，主机发射系统通过供电正电极A和供电负电极B向钻孔周围发射时域电场信号和频域多频电场信号，测量系统通过测量电极M、测量电极N进行时域电场或频域电场测量，电极系组成的排列为B、A、M、N或N、M、A、B。
所述的步骤3）探头推进的步距为1～2米。
所述的步骤3）主机在探头的每一个测点同时计算视电阻率和视极化率两个参数，计算该测点的视电阻率和视极化率，并绘制已测测点的视电阻率和视极化率剖面图。
一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报装置，包括现场主机、探头和供电电极，探头是包括供电正电极A和测量电极M、测量电极N为一体的三极电极系统，探头与主机的连接电缆内有供电电缆和信号电缆，连接供电正电极A的为供电电缆，连接测量电极M、测量电极N的为屏蔽信号电缆；供电负电极B由金属材料组成；供电负电极B与现场主机由供电电缆连接。
所述的现场主机包括内置的数据采集处理单元、中央处理单元、电源模块和发射控制模块；发射控制模块对外分别与供电正电极A和供电负电极B相连，对内与电源模块和中央处理单元相连；在中央控制单元的指挥下实现对供电正电极A、供电负电极B的供电和关断。
一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水测量探头，包括连接管和电极，电极包括供电电极A、测量电极M、测量电极N，供电正电极A位于探头的最外端靠近接插件，供电正电极A与测量电极M相距5～２0米，测量电极M与测量电极N相距１～３米，各电极之间由连接管连接，探头的前端有助推滑轮；连接管分多段，相邻段之间由活动连接件连接；从各电极接点引出的信号电缆和供电电缆连接到探头后端的电缆接插件，探头体的后端端头连接推杆。
所述的供电电极A包括毛细渗透管，毛细渗透管一端为只有电缆穿过的封闭端，封闭端设注水口，注水口上有密封盖；毛细渗透管的另一端与连接管连接，毛细渗透管内注入导电液；每个电极毛细渗透管都有一端连接的连接管是储液管，储液管的另一端封闭，作为与活动连接件的连接端；供电电极A、测量电极M、测量电极N的结构相同，
所述的供电正电极A和测量电极M、测量电极N的外径相同，连接管的外径小于电极的外径。
所述的连接管每段长1～1.5米，活动连接件为便于探头折叠和拆卸的卡扣结构。
本发明的有益效果:
应用本发明可以实现对巷道掘进钻孔进行超前探水预报。相比于现有的超前预报设备，本发明的有益效果主要表现在：
（1）采用本方法，将三个电极布置在钻孔中，一个电极布置在钻孔外，可以探测钻孔周围一定范围内的含水体。将探头在钻孔内推进并以一定的步距安排测点，可以充分利用整个钻孔的深度，探测整个钻孔周围柱状体内含水体，探测范围大，信息多，且相邻测点的测试结果可以相互验证，准确可靠。而且可大大减少钻孔探测数量，节省时间和成本，提高工作效益，同时又提高煤矿井下巷道掘进隐伏水患的排除能力。
（2）采用本方法，实现时域或频域多频点同时发射，等频点同时接收的探测工作方式，既避开井下人为和自然的强干扰背景，提高微弱信号的识别和处理能力；同时测试地层的电阻率和极化率参数（俗称找水新方法），充分利用极化率对含水体敏感的特性，克服了现有大多数矿井物探仅用单一电阻率参数的探测方式，可确保探测结果准确可靠，为指导掘提供更科学的依据。
（3）采用本发明的装置，可以实现将电极布置在钻孔中，探水预报仪现场测试时实时显示探测结果，自动分析成图并进行预报，无需复杂的人工数据分析和处理阶段；因仪器专为钻孔全方位探水设计，既专业，而操作又简单实用，系统有高度智能集成的数据处理软件，从而能为一般地质探测人员快速给出可靠的分析预报资料。是一种全新的矿井巷道超前探水预报仪，也是首次成功开发利用钻孔进行超前探水预报仪
因此，本发明的装置具备可操作性、有效性、实用性等优点。
本发明实现巷道钻孔超前探水，利用巷道超前的钻孔进行物探，对钻孔周围和孔底20～30米范围内进行精细扫描近距离探测，是钻探和物探有机的结合，这样既可提高物探的探测精度又可减少钻探的钻孔数量，做到掘进巷道超前精准探测。
附图说明
图1是现场探测布置原理示意图。
图2是本发明装置主机硬件系统逻辑框图。
图3 是探头结构示意图。
图4是电极结构示意图。
图5是钻孔内各测点电阻率和极化率连线剖面图实例。
图6系统工作过程流程图。
具体实施方式
如图1现场探测布置原理示意图，图6系统工作过程流程图：本发明的一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法采用时域或频域多频电场信号作为测试信号，采用探头置于钻孔的测量方法，将供电负电极B安装在钻孔外的巷道中，供电负电极B与现场主机1由供电电缆4连接；供电正电极A安装在钻孔内，测量电极M与测量电极N安装在钻孔内，供电正电极A与钻孔外的供电负电极B构成供电电极；探头2上有供电正电极A、测量电极M、测量电极N，通过供电电缆及信号电缆5与现场主机1连接，具体步骤如下：
１）探头2置于钻孔孔口，现场主机1通过探头２上的供电电极A与供电电极B向大地供电，产生时域或频域多频电场，通过探头2上的测量电极M、测量电极N测量电场变化信号，经预处理和A/D转换为数字信号，输入到主机1的中央处理单元；
2）现场主机1的中央处理单元计算探测目标体的视电阻率和视极化率；
3）根据设定的步距，利用推杆3推进探头2，在每一测点重复步骤1）、2），探头2从钻孔孔口逐步推到孔底进行逐点扫描探测，测定各点的视电阻率和视极化率，已测测点逐点生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；
4）根据计算的视电阻率和视极化率的变化率，判定以钻孔轴线为中心、半径20～30米圆柱空间内及钻孔底部20～30米范围内是否存在含水体或含水地质构造。
所述的供电负电极B放置在巷道掘进方向后方，安装在钻孔外距钻孔孔口大于100米处，一般100～200米，利用巷道掘进的一个钻孔进行超前探水探测，主机1发射系统通过供电正电极A和供电负电极B向钻孔周围发射时域电场信号和频域多频电场信号，测量系统通过测量电极M、测量电极N进行时域电场或频域电场测量，电极系组成的排列为B、A、M、N或N、M、A、B。
所述的步骤3）探头2推进的步距为1～2米。
所述的步骤3）主机1在探头2的每一个测点同时计算视电阻率和视极化率两个参数，计算该测点的视电阻率和视极化率，并绘制已测测点的视电阻率和视极化率剖面图。
图2是本发明装置主机硬件系统逻辑框图：
本发明的巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报装置包括现场主机1、探头2和供电电极，探头2是包括供电正电极A和测量电极M、测量电极N为一体的三极电极系统，探头2与主机1的连接电缆内有供电电缆和信号电缆，连接供电正电极A的为供电电缆，连接测量电极M、测量电极N的为屏蔽信号电缆；供电负电极B由金属材料组成；供电负电极B与现场主机由供电电缆连接。
所述的现场主机1包括内置的数据采集处理单元、中央处理单元、电源模块和发射控制模块；发射控制模块对外分别与供电正电极A和供电负电极B相连，对内与电源模块和中央处理单元相连；在中央控制单元的指挥下实现对供电正电极A、供电负电极B的供电和关断。
数据采集处理单元包括预处理单元、A/D转换单元、同步单元、第一I/O接口、第二I/O接口。
发射控制模块在主机内分别通过I/O接口与中央处理单元连接，接收控制指令；与电源模块连接，根据控制指令将电源电压升到指定值；与同步信号输出端连接，在同步信号的控制下向供电电极供电。工作时，发射控制模块同步测量供电电极上的电压和电流大小，当供电电流超过指定值时自动停止供电。供电电压和最大关断电流可通过现场主机设定。
中央处理单元包括中央处理器及其外围电路，如存储器、人机接口等，中央处理器可采用如高性能的单片机微处理器（MCU、ARM等）、数字信号处理芯片（DSP）、或中央控制器（CPU）等。中央处理单元的输入端与系统总线连接，中央处理单元的输出与存储器和人机接口等连接；人机接口与显示单元、触摸屏、光电旋钮和USB输出口等连接，实现采集信号的显示输出、相关参数的设置和操作控制输入，以及数字文件的输入输出等。
电源模块包括电源和电源接口电路。电源可以是内置的可充电直流电源（如锂电池和镍氢电池等），电源接口与各单元连接，实现给整个主机和向供电电极供电。
供电负电极B可采用金属电极，通过供电电缆与主机的发射端口连接，其作用是与供电正电极A组成发射电极对，实现向钻孔6周围供电，形成电场。工作时供电负电极B安装在距离钻孔孔口大于100米处的巷道内。
图3 、图4是探头结构示意图：
本发明的探头包括连接管和电极，电极包括供电电极A、测量电极M、测量电极N，供电正电极A位于探头的最外端靠近接插件2e，供电正电极A与测量电极M相距5～２0米，测量电极M与测量电极N相距１～３米，各电极之间由连接管2a连接，探头的前端有助推滑轮2d；连接管2a分多段，相邻段之间由活动连接件2b连接；从各电极接点A4引出的信号电缆和供电电缆2c连接到探头后端的电缆接插件2e，探头体2的后端端头连接推杆3。电缆接插件2e在探头外通过电缆与现场主机连接。
所述的供电电极A包括毛细渗透管A1，毛细渗透管A1一端为只有电缆穿过的封闭端，封闭端设注水口A3，注水口A3上有密封盖；毛细渗透管A1的另一端与连接管2a连接，毛细渗透管A1内注入导电液A2；每个电极毛细渗透管A1都有一端连接的连接管2a是储液管2a1，储液管2a1的另一端封闭，作为与活动连接件2b的连接端；供电电极A、测量电极M、测量电极N的结构相同。毛细渗透管A1与储液管2a1连通，内部充满导电液，毛细渗透管和储液管与延长管之间通过带密封装置的活接头连接。导电液通过注液口注入到毛细渗透管A1和储液管内。
所述的供电正电极A和测量电极M、测量电极N的外径相同，连接管的外径小于电极的外径。
所述的连接管2a 每段长1.5～2米，活动连接件2b为便于探头折叠和拆卸的卡扣结构。
电极还可以由金属导电材料制成。
供电正电极A和测量电极M、测量电极N的外径相同。
探测方向为掘进工作方向，利用掘进的一个钻孔将探头放置孔中，通过电缆与主机1相连；供电负电极B放置在巷道后方100米左右，通过供电电缆4与主机1相连，探头2通过推杆3逐步往钻孔6里面推进并进行测量。
整个系统工作过程如图6，测试时，首先设置系统工作参数，在钻孔探水仪主机1的控制下，供电正电极A、供电负电极B可发射时域电场信号和频域电场信号，测量电极M、测量电极N可接收钻孔6周围岩石及不同地质体引起的电场信号的变化信号并通过电流传导至现场主机1，经处理和A/D转换为数字信号，输入到主机中央处理单元；计算探测目标体的视电阻率和视极化率；通过推杆3将探测探头推进1～2米的距离，进行下一点的测量，并逐点生成如图5的探测剖面图。
图5是钻孔内各测点电阻率和极化率连线剖面图实例：
图5中横坐标代表步进，单位米；纵坐标代表视电阻率和视极化率。根据所测计算的视电阻率和视极化率的变化可以判定钻孔周围和钻孔孔底20~30米以内是否存在地质构造及含水体的存在。
Claims (10)
1.一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法，采用时域或频域多频电场信号作为测试信号，采用探头置于钻孔的测量方法，将供电负电极B安装在钻孔外的巷道中，供电负电极B与现场主机（1）由供电电缆（4）连接；供电正电极A安装在钻孔内，测量电极M与测量电极N安装在钻孔内，供电正电极A与钻孔外的供电负电极B构成供电电极；探头（2）上有供电正电极A、测量电极M、测量电极N，通过供电电缆及信号电缆（5）与现场主机（1）连接，具体步骤如下：
１）探头（2）置于钻孔孔口，现场主机（1）通过探头（2）上的供电电极A与供电电极B向大地供电，产生时域或频域多频电场，通过探头（2）上的测量电极M、测量电极N测量电场变化信号，经预处理和A/D转换为数字信号，输入到主机（1）的中央处理单元；
2）现场主机（1）的中央处理单元计算探测目标体的视电阻率和视极化率；
3）根据设定的步距，利用推杆（3）推进探头（2），在每一测点重复步骤1）、步骤2），探头（2）从钻孔孔口逐步推到孔底进行逐点扫描探测，测定各点的视电阻率和视极化率，已测测点逐点生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；
4）根据计算的视电阻率和视极化率的变化率，判定以钻孔轴线为中心、半径20～30米圆柱空间内及钻孔底部20～30米范围内是否存在含水体或含水地质构造。
2.根据权利要求1所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法，其特征在于：供电负电极B放置在巷道掘进方向后方，安装在钻孔外距钻孔孔口100米～200米处，利用巷道掘进的一个钻孔进行超前探水探测，主机（1）发射系统通过供电正电极A和供电负电极B向钻孔周围发射时域电场信号和频域多频电场信号，测量系统通过测量电极M、测量电极N进行时域电场或频域电场测量，电极系组成的排列为B、A、M、N或N、M、A、B。
3.根据权利要求1或2所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法，其特征在于：步骤3）中探头（2）推进的步距为1～2米。
4.根据权利要求1或2所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法，其特征在于：步骤3）主机（1）在探头（2）的每一个测点同时计算视电阻率和视极化率两个参数，计算该测点的视电阻率和视极化率，并绘制已测测点的视电阻率和视极化率剖面图。
5.一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报装置，包括现场主机（1）、探头（2）和供电电极，其特征在于：探头（2）是包括供电正电极A和测量电极M、测量电极N为一体的三极电极系统，探头（2）与主机（1）的连接电缆内有供电电缆和信号电缆，连接供电正电极A的为供电电缆，连接测量电极M、测量电极N的为屏蔽信号电缆；供电负电极B由金属材料组成；供电负电极B与现场主机由供电电缆连接。
6.根据权利要求5所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报装置，其特征在于：现场主机（1）包括内置的数据采集处理单元、中央处理单元、电源模块和发射控制模块；发射控制模块对外分别与供电正电极A和供电负电极B相连，对内与电源模块和中央处理单元相连；在中央控制单元的指挥下实现对供电正电极A、供电负电极B的供电和关断。
7.一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水测量探头，包括连接管和电极，其特征在于：电极包括供电电极A、测量电极M、测量电极N，供电正电极A位于探头的最外端靠近接插件（2e），供电正电极A与测量电极M相距5～２0米，测量电极M与测量电极N相距１～３米，各电极之间由连接管（2a）连接，探头的前端有助推滑轮（2d）；连接管（2a） 分多段，相邻段之间由活动连接件（2b）连接；从各电极接点A4引出的信号电缆和供电电缆（2c）连接到探头后端的电缆接插件（2e），探头的后端端头连接推杆（3）。
8.根据权利要求7所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水测量探头，其特征在于：供电电极A包括毛细渗透管（A1），毛细渗透管（A1）一端为只有电缆穿过的封闭端，封闭端设注水口（A3），注水口（A3）上有密封盖；毛细渗透管（A1）的另一端与连接管（2a）连接，毛细渗透管（A1）内注入导电液（A2）；每个电极毛细渗透管（A1）都有一端连接的连接管（2a）是储液管（2a1），储液管（2a1）的另一端封闭，作为与活动连接件（2b）的连接端；供电电极A、测量电极M、测量电极N的结构相同。
9.根据权利要求7或8所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水测量探头，其特征在于：供电正电极A和测量电极M、测量电极N的外径相同，连接管的外径小于电极的外径。
10.根据权利要求7或8所述的巷道掘进钻孔激发极化超前探水测量探头，其特征在于：连接管（2a） 每段长1～1.5米，活动连接件（2b）为便于探头折叠和拆卸的卡扣结构。
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