CN103995295A - 直流电法地孔探测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种地面大电流供电，建立稳定对称的点电源场，井下钻孔中直接接收单点电位的直流电法探测地孔装置与方法。其中，在井下需要超前探测的目标地层中打钻孔，在钻孔投影的地面相应位置，钻孔两端布置两个供电电极，分别与地面无穷远电极组成供电系统，向地下依次单点供电，建立人工场源；在井下钻孔中布置一个接收电极，另一个电极布置在无穷远处，两电极分别与接收设备的M、N极相连接，孔内接收点电源场在接收电极位置产生的电位；最终获得两组电位数据，以此为基础数据，进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。

Description

直流电法地孔探测方法与装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种地面建立人工场源，地下钻孔中探测隐伏致灾体的直流电法探测方法与装置。

背景技术

在地球物理勘探技术领域，通常需要一种可靠的探测方法，以满足相关行业安全生产的需要。直流电法地孔探测方法是一种应用于探测隐伏致灾体的超前预测预报方法，其能够精确识别钻孔周围一定径向距离内的隐伏含/导水体。

对巷道、隧道掘进前方，以及煤矿回采工作面内隐伏灾害性地质异常体、含/导水体的预测预报是一项与安全生产紧密相关的重要工作。目前主要的探测方法有地震反射波法、瑞雷波法、地质雷达法、瞬变电磁法、直流电阻率法、红外测温法和申请号为200810044794.6的专利所记载的预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。

地震反射波法中应用较广的有隧道地震剖面法(TSP)和隧道垂向地震剖面法(TVSP)。两种方法的工作方式稍有差异，但都是利用地震反射原理地震反射波法对岩层速度分界面能较好的确定。在实际工作中，该方法接收的信号较复杂，断层界面的负视速度反射波难以准确提取，导致解释结果存在较严重的多解性，而且地震反射波对地下水的反应不敏感，不能准确预报前方强含水地质异常体，尤其是对点状导水通道更是无能为力。

瑞雷波法是利用弹性波中瑞雷面波的传播特征，来探测前方结构面的一种物探方法，分为稳态和瞬态两种方法。稳态瑞雷波法由于设备过于笨重，施工效率低，难以适合巷道超前探测条件。瞬态瑞雷波采用多个检波器，接收同一个震源激发的面波信息，根据半波长理论解释界面深度。瑞雷波法在探测地质体(煤层)分层、断裂带、陷落柱、地质异常体等方面均有实用价值，但该方法同样对含水体不敏感，不能准确预测掘进前方的含水体，且超前距离一般只有50m，特别在松软煤层中超前距离较短。

地质雷达探测方法是以介质的电性、磁性为基础，研究不同频率的电磁波经介质反射、透射、吸收后的能量衰减、频散作用和时间等参数的变化规律，利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射特性来探测目标体，用于推测工作面前方地质异常体的形态和空间位置。该方法对断层、陷落柱、老窑等含水体有较好的探测效果，但目前探测距离较短，大约在20m～30m以内，同时雷达记录易受洞内机器干扰，探测分析中要特别注意波相识别，排除干扰。

地面瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次电磁场，在一次电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。该方法对低阻体反应灵敏，被广泛应用于寻找水资源、低阻矿体和矿井隐伏含/导水区域或通道的探测中。在工作过程中，当遇到周边有大的金属磁性体、地面或空间存在工业电磁信号和周期电信号干扰时，对所测到的数据产生严重影响；同时在地层表面存在低阻层或低阻矿化带时，瞬变电磁法也不能可靠的测量。在此情况下，无法完成对深部目标体的探测，尤其是对大深度开采的矿井所面临的埋藏较深的、具有引起灾害性突发事件的隐伏含/导水构造，更无法实现有效探测。

矿井瞬变电磁探测方法原理同地面瞬变电磁法，其主要获取探测方向上地质体的电阻率，通过电阻率差异判断地质构造、导/含水体等地质异常体。该方法的缺点是不能探测掘进头附近约20m范围内的地质体；巷道内金属体、局部电性不均匀体被激发后产生的涡流场，对采集的数据影响较大，出现难以排除的假异常；对目标异常体在空间上的定位存在不确定性。

矿井直流电阻率法超前探测是以介质的导电性差异为物理基础，通过观测和研究地下人工稳定电流场的空间分布规律，达到勘查目的的一种超前探测方法。该方法的接收电极布置在掘进迎头后方，受施工环境(铁轨、金属支架、锚网、电器设备、局部水坑或潮湿地段等)和巷道空间影响较大，接收的数据不稳定，假异常偏多；单次探测距离有限，一般认为80～100m。

红外测温方法是以岩石热传导、热辐射性质为基础，在一定的距离和观测精度下测量掌子面上的温度变化。根据含水体与围岩的温差引起的温度异常场的分布规律，对其进行超前预报。该方法对溶洞、断层破碎带、岩溶裂隙发育带等含水体的超前预报具有较高的准确性，但探测距离较短，一般小于30m，且目前仍局限于定性预报异常体的含水性，对含水量亦不能进行定量或半定量预报。

申请号为200810044794.6的发明专利说明了一种预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。其原理是依据地下水在岩体中循环流动导致水体周边及流经位置围岩的温度变化，通过这种温度差异推测掌子面前方可能存在的含水体。该方法具有一定的准确性，但不能定量预测地下水体相对于掌子面的距离。其工作方式是在施工掌子面后面的隧道周边，随隧道施工掌子面的前移，按一定间距逐点跟踪测试隧道周边岩体的温度。其温度测试在5～12m深的岩孔中进行，因此需要在隧道后方等间距实施一定数量的钻孔，具有相对较大的工作量。

在现代化矿井生产过程中，综掘机广泛被采用，巷道掘进速度也随之提高，日进尺可达30m以上，在这种情况下，应用上述方法进行超前预测预报，将产生单次预报距离较短，准确度不够的缺陷；工作面回采前，也需查明其内部隐伏地质异常体，确保安全回采。因此，迫切需要一种单次预报距离更长，精度更高的超前探测方法。

发明内容

本发明提出了一种在地面固定两个供电电极、向地下供入大电流，建立稳定的人工场源，井下钻孔内接收电极直接测量单点电位的直流电法地孔探测装置与方法。

本发明探测工作原理是：在地面布置供电系统，含一个无穷远电极和两个供电电极，接收电极位于井下钻孔内。供电电极向地层供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，各供电电极分别供电时都是点电源，其等电位面是以供电电极为球心的半球面，该半球面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同(称之为等位面)，由孔中的接收电极测量该处的电位。每移动一次接收电极，依次接收地面两个供电电极电源场分别在该接收电极处的电位，当掘进前方无地质异常体时，获得的电位为正常背景值，而当存在地质异常体时，等位面的分布将被改变，通过测量这种电位差异，获得孔周围地质异常体的信息。由对称的两个供电电极可以得到两组数据，通过对比分析，获得地质异常体更精确的径向位置。

根据本发明，不仅可以避免地面直流电阻率法(地面发射和接收)受地形和浅部不均匀体等影响，而且有效利用地面可以供入大电流的优点，避开了井下物探仪器的防爆限制，及井下钻孔中接收信号，避开了巷道内复杂的施工环境。

根据本发明，对钻孔周围一定范围内地层进行扫描，能够实现对孔周围的含/导水构造(或含富水区域)、老空积水、岩溶陷落柱、灰岩水等隐伏地质异常体的准确定位。

根据本发明，探测距离可以视探测目的任务和钻孔深度可长可短。

具体的，本发明提供一种地面大电流供电，井下钻孔中接收的直流电法探测方法，该方法可以用于掘进巷道迎头前方和工作面内部隐伏致灾体的探测，其特征在于，包括以下几个方面：

(1)在需要超前探测的巷道的迎头的前方，或者工作面内，或者顶底板，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深；

(2)钻孔投影的地面相应位置，沿钻孔两端布置两个供电电极，沿垂直方向布置一个无穷远电极，分别与供电设备的A、B极相连，组成供电系统。无穷远电极距离大于5倍的地面至钻孔距离；

(3)两供电电极交替向地层供出稳定的电流，分别建立以供电电极为中心的点电源场；

(4)将一个接收电极布置于钻孔内，另一个电极布置在无穷远处，无穷远距离大于5倍的钻孔深度，两电极分别与接收设备的M、N极相连接，孔内接收点电源场在接收电极位置产生的电位；

(5)两个供电电极分别供电，通过接收电极获得两组电位数据，以此为基础数据，进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。

(6)孔中以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，可将接收电极保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收电极，进行测点加密采集。

根据上述直流电法地孔探测方法，其特征在于，所述钻孔为顺层钻孔，即在需要超前探测的巷道的迎头前方，或者工作面内，或者顶底板，顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深，或者穿透工作面。

根据上述直流电法地孔探测方法，其特征在于，所述钻孔投影的地面相应位置，为钻孔两端，布置两个供电电极；所述无穷远电极应沿垂直两供电电极连线方向布置，距离大于5倍的地面至钻孔之间的距离；无穷远电极与供电设备的供电端之一相连，两供电电极需要供电时，分别与供电设备的另一供电端相连，组成供电系统。

根据上述直流电法地孔探测方法，其特征在于，所述井下接收系统由接收设备、一个接收电极和一个无穷远电极组成，接收电极布置于钻孔内，无穷远电极距离大于5倍的钻孔深度。

根据上述直流电法地孔探测方法，其特征在于，所述两供电电极依次供出稳定电流，并分别在地层中建立稳定的点电源场；所述接收电极由孔口至深部依次移动布置，每次移动，均接收两个供电电极分别供电时在该处产生的电位。施工结束获得两组电位数据，以此为基础，进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。

根据上述直流电法地孔探测方法，其特征在于，孔中以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，可将接收电极保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收电极，进行测点加密采集。

另外，本发明还提供一种直流电法地孔探测装置，地面两个供电电极联合向地下供电，井下钻孔中单电极接收电位，实现对钻孔周围一定范围内的探测，其特征在于，包括以下几个方面：

(1)供电系统位于地面，接收系统位于井下孔中，供电和接收分离；

(2)在需要超前探测的巷道的迎头的前方，或者工作面内，或者顶底板，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深；

(3)钻孔投影的地面相应位置，沿钻孔两端布置两个供电电极，沿垂直方向布置一个无穷远电极，分别与供电设备的A、B极相连，组成供电系统。无穷远电极距离大于5倍的地面至钻孔距离；

(4)将一个接收电极布置于钻孔内，另一个电极布置在无穷远处，无穷远距离大于5倍的钻孔深度，两电极分别与接收设备的M、N极相连接，组成接收系统。

根据上述直流电法地孔探测装置，其特征在于，所述供电系统位于地面，所述接收系统位于井下孔中，供电和接收实现分离。

根据上述直流电法地孔探测装置，其特征在于，所述钻孔为顺层钻孔，即在需要超前探测的巷道的迎头前方，或者工作面内，或者顶底板，顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深，或者穿透工作面。

根据上述直流电法地孔探测装置，其特征在于，所述钻孔投影的地面相应位置，为钻孔两端，布置两个供电电极；所述无穷远电极应沿垂直两供电电极连线方向布置，距离大于5倍的地面至钻孔之间的距离；无穷远电极与供电设备的供电端之一相连，两供电电极需要供电时，分别与供电设备的另一供电端相连，组成供电系统。

根据上述直流电法地孔探测方法，其特征在于，所述井下接收系统由接收设备、一个接收电极和一个无穷远电极组成，接收电极布置于钻孔内，无穷远电极距离大于5倍的钻孔深度。

根据本发明，于地面布置供电电极，供电建立人工场源，井下钻孔中单点接收电位，根据电位变化，能够辨别目标层位中含/导水构造(或含/富水区域)、老空积水、岩溶陷落柱、灰岩水等隐伏含水地质异常体。

另外，根据本发明，由于一般岩层含水时电阻率较低，对供入地下的电流场有强烈影响，因此该方法对于识别掘进前方的含/导水体尤其有效。

附图说明

图1为本发明直流电法探测地孔装置与方法原理示意图。

图中：1.地面，2.地层，3.供电系统，4.供电电极，5.供电电极，6.地面供电端无穷远电极，7.等电位面，8.巷道，9.掘进迎头，10.钻孔与测点，11.接收装置，12.接收端无穷远电极

具体实施方式

下面参照附图结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为本发明直流电法探测地孔装置与方法原理示意图。

参照图1，尽管是以煤矿顺煤层超前探测地质异常体为例进行的描述，但需要说明的是，该描述仅仅是示例性的，本发明并不仅限于顺煤层超前探测地质异常体的方案中。大体上讲，本发明具体实施方式包括以下步骤：

(1)在需要超前探测的巷道8迎头9前方，沿巷道8掘进方向顺煤层打钻孔10，深度可根据探测要求钻进，如100m、200m、300m或更深。

(2)在钻孔10投影的地面1相应位置，采用测量控制两端，并布置两个供电电极4和5，沿垂直方向布置一个无穷远电极6，分别与供电设备的A、B极相连，组成供电系统3。无穷远电极6距离大于5倍的地面1至钻孔10的垂直距离。

(3)供电电极4和5分别向地层2供入直流电建立人工电场，以供电电极为中心形成点电源场，均匀介质情况下，其等电位面是以供电电极为球心的半球面(如图1中7)，该球面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同。

(4)地面供电系统采用单点供电的方式向地层供电，即供电电极4处于供电状态时，供电电极5则处于断开状态，反之，在供电电极5处于供电状态时，则供电电极4处于断开状态，在图1中示出的等电位线7(圆弧线)表征的是点电源在均匀地层2中建立的电场分布状态。

(5)将一个接收电极布置于钻孔内，另一个电极布置在无穷远处，无穷远距离大于5倍的钻孔深度，两电极分别与接收设备的M、N极相连接，孔内接收点电源场在接收电极位置产生的电位；

若地层中存在低阻异常体，因其具有吸引电流的能力，使其内部的电流密度比外部围岩中的电流密度大，电阻率愈低，吸引能力愈强；相反，存在高阻异常体时，因其具有排斥电流的能力，使其内部的电流密度比外部围岩中的电流密度小，电阻率愈高，排斥能力愈强；因此，高、低阻异常体的存在均会造成等位面的畸变，通过观测这种变化，可以确定异常体的位置。

(6)两个供电电极4和5分别供电，通过接收电极获得两组电位数据，以此为基础数据，进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。

(7)孔中10以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，可将接收电极保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收电极，进行测点加密采集。

以上根据实施例对本发明作出了详细描述，然而，所述描述是例示性的，本发明不仅仅限于实施例中，本领域技术人员完全能够根据本发明教导而对其作出各种形式的替换或者变更，在不脱离本发明宗旨和精神的前提下，凡是对本发明作出的各种变更及修饰均视为本发明所涵盖的内容，均落入所附权利要求的范围之内。

Claims (4)

1.一种直流电法地孔探测方法，其特征在于，包括以下几个方面：

(1)在需要超前探测的巷道的迎头的前方，或者工作面内，或者顶底板，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深；

(2)钻孔投影的地面相应位置，沿钻孔两端布置两个供电电极，并沿垂直方向布置一个无穷远电极，以组成供电系统，无穷远电极距离大于5倍的地面至钻孔距离；

(3)两供电电极交替向地层供出稳定的电流，分别建立以供电电极为中心的点电源场；

(4)将一个接收电极布置于钻孔内，另一个电极布置在无穷远处，无穷远距离大于5倍的钻孔深度，孔内接收点电源场在接收电极位置产生的电位；

(5)两个供电电极分别供电，通过接收电极获得两组电位数据，以此为基础数据，进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体；

(6)孔中以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，将接收电极保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收电极，进行测点加密采集。

2.如权利要求1所述直流电法地孔探测方法，其特征在于，所述两供电电极依次供出稳定电流，并分别在地层中建立稳定的点电源场；所述接收电极由孔口至深部依次移动布置，每次移动，均接收两个供电电极分别供电时在该处产生的电位，施工结束获得两组电位数据，以此为基础，进行联合处理，得到可用于地质解释的数据体。

3.一种直流电法地孔探测装置，地面两个供电电极联合向地下供电，井下钻孔中单电极接收电位，实现对钻孔周围一定范围内的探测，所述供电系统位于地面，所述接收系统位于井下孔中，供电和接收实现分离，其特征在于，

在钻孔投影的地面相应位置，沿钻孔两端布置两个供电电极，沿垂直方向布置一个无穷远电极，组成供电系统，无穷远电极距离大于5倍的地面至钻孔距离；

在钻孔内布置一个接收电极，另一个电极布置在无穷远处，无穷远距离大于5倍的钻孔深度，组成接收系统。

4.如权利要求3所述直流电法地孔探测装置，其特征在于，所述钻孔为顺层钻孔，即在需要超前探测的巷道的迎头前方，或者工作面内，或者顶底板，顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深，或者穿透工作面。