CN102818554B - 用于巷道超前探测的水平定向法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于巷道超前探测的水平定向法，属于地球物理领域。本发明在巷道底板上设置了两个面积较大的360°量角器，将发射线框和接收线框设于量角器的正上方，确定好0°水平方位角平面之后，同步旋转发射线框和接收线框，利用发射线框与接收线框旋转前后在量角器上的正投影之间的角度关系来确定水平方位角及其角平面。本发明操作简便、适应性强，不受外界环境的影响；施工效率高，所用工具简单，工作效率提高2倍以上；且定向精度高，消除了人为等各种因素影响，绝对误差不超过5°。

Description

用于巷道超前探测的水平定向法

技术领域

本发明涉及一种工作面底板探测技术，属于地球物理勘探领域，特别涉及一种用于巷道超前探测的水平定向法。

背景技术

井下巷道多方位超前探测的平面定向，一般常用经纬仪、罗盘、坡度规、几何定向等方法实现，但这些方法均存在影响因素多、施工效率低、测量误差大等诸多弊端，一直是制约巷道多方位超前探测技术发展及推广应用的一个瓶颈。

经纬仪定向法准确、精度高，但操作复杂，每次探测都要配备2～3名测量人员，在实际工作中很难实现。

罗盘定向法方便、快捷，在地面使用效果很好，但在煤矿井下由于巷道内管路、电缆、工字钢、锚杆等金属体较多，罗盘在接近这些金属体时指针就会随之发生偏移、摆动，导致测量误差大，有时甚至无法施工。

几何定向法是按照巷道的几何形状，先在地面绘图、计算，根据井下巷道宽度，确定线框放置位置、平面方位、测线数量，其中，收、发线框前后间距固定为10 m，线框左右移动步距为0.5 m。然后在井下测量时，采用前后移动式探测模式。这种方法定向准确、快速、简便，但探测范围相对较小、人为误差大。

坡度规定向法是利用巷道中轴线及其垂直线作为相对坐标，配合坡度规确定正前方左、右两侧不同角度测线方向的一种相对方位定向法。井下采用前后固定式探测模式，首先，沿巷道中轴线拉一根测绳作为基线，收、发线框前后间距固定为10 m，均置于巷道中轴线位置。在两个线框位置，将两个坡度规0°线与基线重合，再沿顺时针（或逆时针）方向向左（或右）按一定间隔拉线确定测线方位，同步转动收、发线框，完成不同角度探测。该方法操作复杂，但探测控制范围大，可进行夹角为180°的半圆形探测。但是巷道迎头位置有风筒，风力较大，受风的影响在拉线取角度的时候误差较大定位不准确，只能是大概方向。而且在拉测绳的时候测绳较软，发射框和接收框要与测绳平行，操作起来很麻烦，需要专人拉绳子移动发射线框、接收线框，目测线框是否与绳子平行。此方法施工时间长、需要人员多，拉绳子定角度本身就存在误差，人员目测发射线框、接收线框是否与测绳平行又会存在误差。因此，这种方法定向误差大、不准确。

发明内容

本发明提供了一种用于巷道超前探测的水平定向法，该方法不受井下风筒、管路、电缆、工字钢、锚杆等金属体干扰，所用工具简单、用工少，可快速、准确、简便的实现巷道探测中的水平定向。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于巷道超前探测的水平定向法，包括如下步骤：

第一步、设置360°量角器：将两个360°量角器沿巷道走向、按预定间隔水平固定放置在巷道底板上，两个360°量角器的圆心连线垂直于巷道迎头且与巷道底板的纵向中心轴线相重合或平行；

第二步、设置发射线框和接收线框：将瞬变电磁仪的分体式的发射线框和接收线框分别设置到两个360°量角器的正上方，将发射线框对应的360°量角器称为发射量角器，将接收线框对应的360°量角器称为接收量角器，两线框的线框平面均垂直于各自对应的量角器平面；所述发射线框和接收线框各自在对应的量角器上的正投影的中心点与量角器的圆心重合；过发射线框线框平面中心点和接收线框线框平面中心点的直线与巷道底板平行；

第三步、确定0°水平方位角平面并探测：将所述发射线框和接收线框的各自的线框平面平行于巷道迎头设置，此时，以过发射量角器和接收量角器的连线、且垂直于巷道底板的平面为0°水平方位角平面，将此时发射线框和接收线框在各自对应的量角器上的正投影对应的角度按照规则分别记为α1和α2；然后，按照巷道超前探测方法对0°水平方位角平面进行探测；

第四步、确定非零水平方位角平面并探测：以过发射量角器的圆心且垂直于巷道底板的直线为发射线框的旋转轴，以过接收量角器的圆心且垂直于巷道底板的直线为接收线框的旋转轴，将两线框沿各自的旋转轴同步顺时针或逆时针旋转，旋转过程中保持两线框的线框平面平行且垂直于巷道底板；旋转到目标位置后停止，按照上述第三步中的规则将发射线框和接收线框在各自对应的量角器上的正投影所对应的角度分别记为β1和β2，将β1与α1或β2与α2进行比较得水平方位角θ，此时以过接收线框的旋转轴且垂直于接收线框线框平面的第一平面或过发射线框的旋转轴且垂直于发射线框线框平面的第二平面为水平方位角θ对应的θ水平方位角平面，或者以位于第一平面和第二平面之间的任意一个平行于第一平面或第二平面的平面为水平方位角θ对应的θ水平方位角平面；然后，按照巷道超前探测方法对此θ水平方位角平面进行巷道超前探测；

第五步、按照上述第四步的方式继续同步顺时针或逆时针旋转发射线框和接收线框，实现巷道探测过程中各水平方位角的定向以及在此方位角平面进行的超前探测。

两个360°量角器的0°角的连线与巷道底板的纵向中心轴线相重合。

两个360°量角器的直径为1m。

两个360°量角器沿巷道走向的圆心间距为10m。

采用上述技术方案取得的技术进步为：

（1）本发明操作简便、适应性强，不受外界环境如井下风筒、管路、电缆、工字钢、锚杆等各种干扰的影响；

（2）本发明施工效率高，所用工具简单，完成一次探测定向时间仅需20分钟，而坡度规定向法及几何定向法耗时则在1小时以上，因此，本发明将探测的工作效率提高2倍以上，而且不需专人进行定向操作，节省用工2-3人；

（3）本发明的定向精度高，消除了人为等各种因素影响，绝对误差不超过5°。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为利用本发明对0°水平方位角平面进行探测的示意图；

图3为图2沿A向的视图；

图4为利用本发明对θ水平方位角平面进行探测的示意图；

其中，1、纵向中心轴线，2、巷道底板，3、发射量角器，4、巷道迎头，5、接收量角器，6、接收线框，7、发射线框。

具体实施方式

由图1至图4所示可知，用于巷道超前探测的水平定向法，包括如下步骤：

第一步、设置360°量角器：将两个360°量角器沿巷道走向、按预定间隔水平放置在垂直于巷道迎头4的巷道底板2上，两个360°量角器的圆心连线与巷道底板2的纵向中心轴线1相重合或平行。

市面上可以买到的360°量角器通常较小，并不能满足本发明的测量要求，所以通常情况下，工作人员需要自行制作大小适宜的360°量角器。且为了保证制作的360°量角器能够多次使用且携带方便，需要使用耐磨、防折的材料制作。制作量角器时，根据实际测量精度确定量角器的最小刻度。

将两个量角器沿巷道走向一前一后的布置，且两个量角器的圆心连线平行于巷道的纵向中心轴线1，还可以位于巷道底板2的正中心，两个量角器的圆心连线垂直于巷道迎头4。通常情况下，认为巷道底板2是垂直于巷道迎头4的。为了更加方便定向，两个量角器应该同向设置，即同样的角度对应的刻度连线应当与巷道底板2的纵向中心轴线1相平行，例如，两个量角器的0°角连线与巷道底板2的纵向中心轴线1相重合或平行，或者两个量角器的90°角连线与巷道底板2的纵向中心轴线1相重合或平行。按照惯常思维方式，要将两个量角器的0°角或180°角连线与巷道底板2的纵向中心轴线1相重合或平行。

第二步、设置发射线框7和接收线框6：将瞬变电磁仪的分体式发射线框7和接收线框6分别设置到两个360°量角器的正上方，将发射线框7对应的360°量角器称为发射量角器3，将接收线框6对应的360°量角器称为接收量角器5，两线框的线框平面均垂直于各自对应的量角器；所述发射线框7和接收线框6各自在对应的量角器上的正投影的中心点与量角器的圆心重合；过发射线框7线框平面中心点和接收线框6线框平面中心点的直线与巷道底板2平行。

利用本发明进行定向时，要使用发射线框7和接收线框6为分体式的瞬变电磁仪。这样发射线框7和接收线框6可以独立设置，便于定向。发射线框7要设置于发射量角器3的正上方且位于发射量角器3的正中心；接收线框6要设置在接收量角器5的正上方且位于接收量角器5的正中心。而且，发射线框7和接收线框6的线框平面应当垂直于巷道底板2，亦即平行于巷道迎头4。这样才能保证测量的准确度和精确度，而且发射线框7和接收线框6在各自对应量角器上的投影形状与其底部边框的形状相同。通常情况下，发射线框7和接收线框6的边框很窄，因此可以近似认为两者在量角器上的正投影为直线。布置线框时，两个正投影直线的中心点应该与量角器的圆心重合，这样即可保证发射线框7和接收线框6位于各自对应量角器的正中心。如果发射线框7和接收线框6的边框较宽，那么在量角器上的正投影就是一个相应的矩形或者其他形状，那么此时，要保证发射线框7和接收线框6位于各自对应量角器的正中心，则投影的矩形等的中心点应该与量角器的圆心重合。为了更加精准的定向，发射线框7和接收线框6的线框平面的中心点距离巷道底板2的垂直距离应该相等，也就是发射线框7和接收线框6的线框平面的中心点连线应该与巷道底板2平行。

第三步、确定0°水平方位角平面并探测：将所述发射线框7和接收线框6的各自的线框平面平行于巷道迎头4设置，此时，以过发射量角器3和接收量角器5的圆心连线、且垂直于巷道底板2的平面为0°水平方位角平面，将此时发射线框7和接收线框6在各自对应的量角器上的正投影对应的角度按照规则分别记为α1和α2；然后，按照巷道超前探测方法对0°水平方位角平面进行探测。

在进行水平定向之前，要确定0°水平方位角平面，这样才能更加便利的继续定向。在本方法中，为了满足大部分的正常探测要求，将过巷道底板2的纵向中心轴线1且垂直于巷道底板2的平面定义为0°水平方位角平面，亦即水平方位角零基准平面。

此时，应记录下发射线框7和接收线框6在各自对应的量角器上的投影对应的角度。因为量角器是360°的，因此两线框的投影在量角器上对应的角度有两个，为了正确定向，需要按照同一个规则确定角度，如果以该线框的正投影的左端对应的角度为准，那么以后所有该线框正投影的角度都按照左端对应的角度为准。发射线框7和接收线框6可以选择同端确定角度，也可以选择不同端来确定角度，但是在整个探测过程中，一旦确定规则便要一直沿用，如果发射线框7选用正投影的左端确定角度，那么在接下来的所有定向操作中，发射线框7的正投影的角度都要用左端来确定。

此处所说的巷道超前探测方法是本领域技术人员最常用的各种探测方法。

第四步、确定非零水平方位角平面并探测：以过发射量角器3的圆心且垂直于巷道底板2的直线为发射线框7的旋转轴，以过接收量角器5的圆心且垂直于巷道底板2的直线为接收线框6的旋转轴，将两线框沿各自的旋转轴的同步顺时针或逆时针旋转，旋转过程中保持两线框的线框平面平行且垂直于巷道底板2；旋转到目标位置后停止，按照上述第三步中的规则将发射线框7和接收线框6在各自对应的量角器上的正投影所对应的角度分别记为β1和β2，将β1与α1或β2与α2进行比较得水平方位角θ，此时以过接收线框6的旋转轴且垂直于接收线框6线框平面的第一平面或过发射线框7的旋转轴且垂直于发射线框7线框平面的第二平面为水平方位角θ对应的θ水平方位角平面，或者以位于第一平面和第二平面之间的任意一个平行于第一平面或第二平面的平面为水平方位角θ对应的θ水平方位角平面；然后，按照巷道超前探测方法对此θ水平方位角平面进行巷道超前探测。

在水平定向过程中，发射线框7和接收线框6在旋转过程中要始终保持线框平面位于对应的量角器的正上方且正中心，而且两线框每次旋转的角度要相等，即两线框始终保持平行且垂直于巷道底板2。每旋转到目标位置后，按照上述第三步中确定正投影角度的规则，确定各线框对应的角度。将旋转后的正投影的角度与0°水平方位角平面时两线框正投影的角度做差得出水平方位角θ，此时，以过接收线框6旋转轴且垂直于接收线框6线框平面的第一平面为θ水平方位角平面，也可以以过发射线框7旋转轴且垂直于发射线框7线框平面的第二平面为θ水平方位角平面，甚至根据需要以位于上述第一平面和第二平面之间的任意一个平行于这两个平面的平面为θ水平方位角平面，此时θ水平方位角平面与0°水平方位角平面之间的夹角为θ，亦即θ水平方位角平面在巷道底板2上的正投影与巷道底板2的纵向中心轴线1的夹角也为θ，具体如图4所示；然后再按照巷道超前探测法对θ水平方位角平面进行探测。

第五步、按照上述第四步的方式继续同步顺时针或逆时针旋转发射线框7和接收线框6，实现巷道探测过程中各水平方位角的定向以及在此方位角平面进行的超前探测。

为了保证探测范围，在巷道内旋转发射线框7和接收线框6，对巷道迎头4左右两侧的区域进行定向和超前探测，以满足掘进过程中的数据需求。根据实际要求，定向范围可以涉及巷道迎头4左侧90°水平方位角平面到巷道迎头4右侧90°水平方位角平面。

下面以具体定向为例，对本发明进行解释。

第一步，选择具有一定硬度、相对平整、可卷起的合成革布，制作两个直径至少为1米的360°量角器，将量角器的最小刻度定为10°，按10°的间隔对量角器进行角度标注；将标注好的量角器按照本方法第一步的布置方式进行设置，两个量角器一前一后沿巷道走向设置，接收线框6在前，发射线框7在后，两个量角器沿巷道走向的间距为10米。为了便于定向，将两个量角器的0°角连线与巷道底板2的纵向中心轴线1相重合。

第二步，按照本发明第二步的内容设置发射线框7和接收线框6。

第三步，按照本发明的第三步的内容设置发射线框7和接收线框6。以发射线框7和接收线框6的左侧为基准，在确定0°水平方位角平面时，发射线框7和接收线框6对应的角度均为90°，即此时α1和α2均为90°。确定好0°水平方位角平面后，利用巷道多方位超前探测方法（专利申请号为：201110095155.4）对0°水平方位角平面对应的区域进行超前探测。

第四步，按照本发明的第四步的内容旋转发射线框7和接收线框6。同步逆时针旋转发射线框7和接收线框6。当旋转到目标位置后停止，读取两线框的在对应量角器上的正投影对应的角度。此时，发射线框7对应的角度β1为60°，接收线框6对应的角度β2也为60°。比较β1和α1、β2和α2，由此可知，发射线框7和接收线框6同时逆时针旋转了30°，那么此时，过接收线框6的旋转轴且垂直于线框平面所对应的平面即为左30°水平方位角平面。然后利用巷道多方位超前探测方法（专利申请号为：201110095155.4）对左30°水平方位角平面对应的区域进行超前探测。

第五步，按照上述第四步的方式，顺时针旋转发射线框7和接收线框6，旋转一定角度后停止，读取此时两线框对应的角度。此时发射线框7和接收线框6对应的角度均为100°，即β1和β2均为100°，由此可知，发射线框7和接收线框6同时顺时针旋转了10°，那么此时，将过接收线框6的旋转轴且垂直于线框平面的平面定为右10°水平方位角平面。然后利用巷道多方位超前探测方法（专利申请号为：201110095155.4）对右10°水平方位角平面对应的区域进行超前探测。

在上述例子中，探测巷道的宽度为4m，采用的设备为TEM-47瞬变电磁仪，发射线框7和接收线框6相对独立，其中，发射线框7为边长为1m的正方形线框，所述接收线框6为直径为1m的圆形线框。

本发明所举的例子仅是利用本发明进行水平定位的众多方式中的一种，本领域技术人员可根据实际情况进行操作，比如，360°量角器的间距及布置方式、0°水平方位角平面的选取、线框投影角度的确定规则、线框的旋转方向、θ水平方位角平面的选取等都可以根据自己的实际情况进行确定，并不局限于本发明中所列举的例子。 

Claims (4)

1.一种用于巷道超前探测的水平定向法，其特征在于包括如下步骤：

第一步、设置360°量角器：将两个360°量角器沿巷道走向、按预定间隔水平固定放置在巷道底板（2）上，两个360°量角器的圆心连线垂直于巷道迎头（4）且与巷道底板（2）的纵向中心轴线（1）相重合或平行；

第二步、设置发射线框（7）和接收线框（6）：将瞬变电磁仪的分体式的发射线框（7）和接收线框（6）分别设置到两个360°量角器的正上方，将发射线框（7）对应的360°量角器称为发射量角器（3），将接收线框（6）对应的360°量角器称为接收量角器（5），两线框的线框平面均垂直于各自对应的量角器平面；所述发射线框（7）和接收线框（6）各自在对应的量角器上的正投影的中心点与量角器的圆心重合；过发射线框（7）线框平面中心点和接收线框（6）线框平面中心点的直线与巷道底板（2）平行；

第三步、确定0°水平方位角平面并探测：将所述发射线框（7）和接收线框（6）的各自的线框平面平行于巷道迎头（4）设置，此时，以过发射量角器（3）和接收量角器（5）的圆心连线、且垂直于巷道底板（2）的平面为0°水平方位角平面，将此时发射线框（7）和接收线框（6）在各自对应的量角器上的正投影对应的角度按照规则分别记为α1和α2；然后，按照巷道超前探测方法对0°水平方位角平面进行探测；

第四步、确定非零水平方位角平面并探测：以过发射量角器（3）的圆心且垂直于巷道底板（2）的直线为发射线框（7）的旋转轴，以过接收量角器（5）的圆心且垂直于巷道底板（2）的直线为接收线框（6）的旋转轴，将两线框沿各自的旋转轴同步顺时针或逆时针旋转，旋转过程中保持两线框的线框平面平行且垂直于巷道底板（2）；旋转到目标位置后停止，按照上述第三步中的规则将发射线框（7）和接收线框（6）在各自对应的量角器上的正投影所对应的角度分别记为β1和β2，将β1与α1或β2与α2进行比较得水平方位角θ，此时以过接收线框（6）的旋转轴且垂直于接收线框（6）线框平面的第一平面或过发射线框（7）的旋转轴且垂直于发射线框（7）线框平面的第二平面为水平方位角θ对应的θ水平方位角平面，或者以位于第一平面和第二平面之间的任意一个平行于第一平面或第二平面的平面为水平方位角θ对应的θ水平方位角平面；然后，按照巷道超前探测方法对此θ水平方位角平面进行巷道超前探测；

第五步、按照上述第四步的方式继续同步顺时针或逆时针旋转发射线框（7）和接收线框（6），实现巷道探测过程中各水平方位角的定向以及在此方位角平面进行的超前探测。

2.根据权利要求1所述的用于巷道超前探测的水平定向法，其特征在于两个360°量角器的0°角的连线与巷道底板（2）的纵向中心轴线（1）相重合。

3.根据权利要求1所述的用于巷道超前探测的水平定向法，其特征在于两个360°量角器的直径为1m。

4.根据权利要求1所述的用于巷道超前探测的水平定向法，其特征在于两个360°量角器沿巷道走向的圆心间距为10m。