CN103278857A - 一种井下直流超前探测装置的设计方法 - Google Patents

一种井下直流超前探测装置的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种井下直流超前探测装置的设计方法，将接收电极置于掘进面及附近区域，发射电极从掘进面开始，沿巷道以纵向分辨率要求的间隔向反方向移动，当忽略巷道的影响时，发射电极位置和超前探测距离之间与掘进面成反转镜像关系。利用不同类型的装置和布极方式的组合，在狭小的巷道空间里使超前探测具有较宽的视野。提供的一种指导电极组合的方法，可以避免设计中的海量模型计算。本发明避免了现有装置后方异常体的影响和由此造成的误判；获得了较长距离的超前探测能力；给出了由接收机灵敏度和信噪比判定最大探测距离的实用性准则；依据本发明方法，可开发出有特定需要的超前探测方式。本发明可广泛应用于井下直流电法超前探测。

Description

一种井下直流超前探测装置的设计方法
技术领域
本发明属于电和电磁法勘探领域，具体涉及一种井下直流超前探测技术。
背景技术
井下直流电法超前探测，是煤矿井下普遍应用的超前探测方法。特别是在钻孔探测可能引发突水、以及成本、工期，其他方法因金属构件、电磁噪声干扰，或者地球物理前提不具备的情况下，直流电法即成为超前探测最后的手段。传统的直流超前探测方法，大多采用单级-偶极装置，将发射电极置于掘进面附近、接收电极向远离掘进面方向移动，试图以此获得较长距离的超前探测能力[1]。实际上地质异常体的电位异常主要分布在异常体附近[2]，接收点附近地质体的异常响应往往会掩盖掘进面前方的异常，降低探测的精度，甚至造成误判。为了提高精度，直流超前探的单级-偶极装置已经发展到了七电极排列[3]、或通过不同的成图方式区分前方异常体和后方异常体[4]。但探测的基本方式未变，接收点附近地质体的异常影响仍然存在。为了消除这种影响，出现了将接收电极和发射电极均置于掘进面上的装置[5]，但是这种装置缺乏纵深探测能力，没有通常意义上的探测距离估算标准。此外，这两种装置的探测视野比较狭窄，没有考虑超出掘进面的横向感知能力。
现有技术存在以下缺陷：
（1）现有的超前直流探测装置，采用单极-偶极方式，将发射电极布置在掘进面附近、接收电极后移，试图获得较长距离的纵向探测能力。这种装置易受后方异常体的影响，探测精度低，往往造成误判；或者将发射和接收电极均放置在掘进面上，避免了后方异常影响，但纵向探测距离很小，失去了超前探测的意义。这两种装置的探测视野比较狭窄，没有考虑超出掘进面的横向感知能力；
（2）在设计满足要求的装置过程中，三维数值模拟虽然可称为超前探测装置设计的有力工具，但直流探测装置可以有无限多种的电极组合，如无方法上的指导、缺乏发现途径，势必有无限多种模型需要计算，造成工作量巨大，且未必成功。
对比文件
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发明内容
本发明的目的在于提供一种井下直流超前探测装置及其设计方法，使井下直流超前探测装置具有纵深探测能力。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案。
接收电极置于掘进面及附近区域：图1中的“1”和“2”区，发射电极的布置方法为：当忽略巷道的影响时，发射电极位置和超前探测距离之间与掘进面成反转镜像关系，纵向探测能力的获取具体包括以下步骤：
Figure 2013101732820100002DEST_PATH_IMAGE001
 发射电极从掘进面开始，沿巷道以纵向分辨率要求的间隔向反方向移动，电流场透入掘进面前方的深度由深到浅；发射电极每移动一次、接收电极接收一次；移动间隔越小纵向分辨率越高；发射电极的位置即为测点位置；发射电极位置与超前探测距离之间的关系为：发射电极在掘进面处时探测距离最大，发射电极离掘进面越远探测距离越小，发射电极离掘进面最远时探测距离最小，表1列出了发射电极位置与超前探测距离的关系；
表1 发射电极位置*与超前探测距离的关系
测点位置 发射电极离掘进面最近 发射电极离掘进面最远 随发射电极远离掘进面
发射电极的位置 探测距离最大 探测距离最小 探测距离由深到浅
*发射电极位置即为测点位置
Figure 2013101732820100002DEST_PATH_IMAGE002
 在发射电极移动的过程中，当接收电极收到的信号小于接收机灵敏度或小于规定的信噪比时，发射电极停止移动，将此时发射电极到掘进面的距离作为超前探测的最大距离；
较宽的横向观测视角的获取是通过基本的单极偶极装置的不同布极方式和组合而获得。
指导所述电极组合的方法为：发射电极建立的地中电流场从正电极流向负电极，地中电流场的分布用电流密度线表示；在电流密度线流经路线上，沿阻力最小路径前进，避开高阻体、通过低阻体，电流密度线间相互排斥；分析包括巷道在内的地层、地质结构及超全探测目标体的场分布；电流密度线一点的切向代表了该点电场强度的方向，电流密度线的疏密程度代表了电场的强弱；等电位线与电力线处处垂直，电场较强处，等电位线间距较小，电场较弱处，等电位线间距较大。
所述的通过基本的单极偶极装置的不同布极方式和组合可以为单极-偶极、偶极-单极、单极-单极、偶极-偶极等四种基本装置类型及其任意组合。
只要将接收电极布置在掘进面及附近区域，发射电极后向移动，即可开发出有特定需要的超前探测方式。
所述信噪比中噪声测定的方式为：当发射电极没有供出电流时，用接收电极空采测定噪声，可在发射电极移动前测定，也可在发射电极每移动一次测定一次。
本发明具有有益效果：
（1）按照就近性原则，将发射电极布置在掘进面和掘进面附近的顶底板和侧帮上，避免了现有装置后方异常体的影响和由此造成的误判；按照对称性原则，将发射电极从掘进面按纵向分辨率要求的间隔后向移动，解决了纵向感知能力较弱的问题，获得了较长距离的超前探测能力；给出了由接收机灵敏度和信噪比判定最大探测距离的实用性准则；
（2）通过不同类型装置、和不同布极方式的组合，获得了横向探测能力，在狭小的巷道空间里使超前探测具有较宽的视野，有利于判断异常体的横向尺度，为重现异常体形状的成像方法创造了条件；
（3）按照就近性和对称性原则的设计方法，不局限于某种装置类型，只要将接收电极布置在掘进面及附近区域，发射电极后向移动，就可开发出有特定需要的超前探测方式；
（4）设计中对电流场基本规律的应用，可以快速判定某种类型的装置或布极方式的超前探测能力，作为确认装置能力的三维数值计算的先导，避免设计中的海量模型模拟。
附图说明
图1 是直流超前探测接收电极布置图，其中1a为巷道内部透视图，1b为巷道外部透视图。
图2 是偶极-偶极超前直流超前探测装置，其中2a是发射和接收电极排列示意图，2b是掘进面前方存在高阻体时该装置的电流场分布简图，图中标有箭头的是电流线。
图中：1 探测掘进面正前方异常体时的接收电极布置区域；2 掘进面附近顶底板、侧帮上的接收电极布置区域；
Figure 2013101732820100002DEST_PATH_IMAGE003
 为第i个发射电极的正电极；
Figure 2013101732820100002DEST_PATH_IMAGE004
 为第i个发射电极的负电极；
Figure 2013101732820100002DEST_PATH_IMAGE005
 为接收电极；3 巷道；4 大地；5 掘进面；6 掘进面前方的高阻异常体。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
用偶极-偶极装置，实现对掘进面正前方的探测。
按照技术方案所述接收电极的放置方法，将接收电极
Figure 853771DEST_PATH_IMAGE005
置于掘进面上，见图2中
Figure 459327DEST_PATH_IMAGE005
的位置；
按照技术方案所述信噪比中噪声测定的方式，先在无发射情况下接收机空采测得噪声信号电平；然后按照技术方案中
Figure 176748DEST_PATH_IMAGE001
所述，将发射电极从掘进面开始沿巷道轴线向反方向，以纵向分辨率要求的间隔，设为2 m移动；按照技术方案中
Figure 571957DEST_PATH_IMAGE002
所述，当接收电极收到的信号小于3~5倍的噪声、或者信号小于接收机灵敏度时，停止移动发射电极。此时发射电极到掘进面的距离，就是超前探测的最大距离，设为100 m，见图2中的；发射电极可以布置在顶底板上，也可以布置在侧帮上，根据需要和施工环境选择；本例中接收电极与发射电极平行。表2是按照表1列出的、探测距离与各测点位置一一对应的关系。
表2 发射电极到掘进面的距离与探测距离的关系
Figure 2013101732820100002DEST_PATH_IMAGE008
根据技术方案中指导所述电极组合的方法，绘制的电流密度分布图2b可见，设计的装置具有对掘进面正前方异常体探测的能力。

Claims (5)

1. 一种井下直流超前探测装置的设计方法，其特征在于接收电极置于掘进面及附近区域，发射电极的布置方法为：当忽略巷道的影响时，发射电极位置和超前探测距离之间与掘进面成反转镜像关系，纵向探测能力的获取具体包括以下步骤：
Figure 2013101732820100001DEST_PATH_IMAGE002
 发射电极从掘进面开始，沿巷道以纵向分辨率要求的间隔向反方向移动，电流场透入掘进面前方的深度由深到浅；发射电极每移动一次、接收电极接收一次；移动间隔越小纵向分辨率越高；发射电极的位置即为测点位置；发射电极位置与超前探测距离之间的关系为：发射电极在掘进面处时探测距离最大，发射电极离掘进面越远探测距离越小，发射电极离掘进面最远时探测距离最小；
Figure 2013101732820100001DEST_PATH_IMAGE004
 在发射电极移动的过程中，当接收电极收到的信号小于接收机灵敏度或小于规定的信噪比时，发射电极停止移动，将此时发射电极到掘进面的距离作为超前探测的最大距离；
较宽的横向观测视角的获取是通过基本的单极偶极装置的不同布极方式和组合而获得。
2. 一种如权利要求1所述的井下直流超前探测装置的设计方法，其特征在于：指导所述电极组合的方法为：发射电极建立的地中电流场从正电极流向负电极，地中电流场的分布用电流密度线表示；在电流密度线流经路线上，沿阻力最小路径前进，避开高阻体、通过低阻体，电流密度线间相互排斥；分析包括巷道在内的地层、地质结构及超全探测目标体的场分布；电流密度线一点的切向代表了该点电场强度的方向，电流密度线的疏密程度代表了电场的强弱；等电位线与电力线处处垂直，电场较强处，等电位线间距较小，电场较弱处，等电位线间距较大。
3. 一种如权利要求1所述的井下直流超前探测装置的设计方法，其特征在于：所述的通过基本的单极偶极装置的不同布极方式和组合可以为单极-偶极、偶极-单极、单极-单极、偶极-偶极等四种基本装置类型及其任意组合。
4. 一种如权利要求1所述的井下直流超前探测装置的设计方法，其特征在于：只要将接收电极布置在掘进面及附近区域，发射电极后向移动，即可开发出有特定需要的超前探测方式。
5. 一种如权利要求1所述的井下直流超前探测装置的设计方法，其特征在于：所述信噪比中噪声测定的方式为：当发射电极没有供出电流时，用接收电极空采测定噪声，可在发射电极移动前测定，也可在发射电极每移动一次测定一次。
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