CN109143378A - 一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法。本发明在煤矿巷道掘进头附近布置AMN∞B电法三极测量装置，供电电极A与测量电极MN构成一直线排列，A与无穷远处布置的另一个供电电极B构成回路，向地下按一定的电流制式，先后供入大、小两种激发电流，建立人工电场，同时在巷道后方使用二个相对固定距离的电极M、N测量其电场分布规律，通过专用配套解释技术处理后，解释得到掘进工作面迎头前方的构造含水量相对大小的分布信息。本发明能顺层探测掘进巷道工作面前方较长距离内的地质构造的位置及含水量相对大小，不会漏掉灾害性导水含水构造，减少了无害物探异常的数量和打钻量，能提高煤矿掘进速度。

Description

一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法

技术领域

本发明涉及一种含水构造探测方法，属于煤矿超前探测技术领域，具体是涉及一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法。

背景技术

巷道、隧道掘进前方灾害性地质体、导含水体的预测预报是一项与安全生产紧密相关的重要工作。目前常用的超前探测技术有直流电法、地震反射波法、瑞雷波法、地质雷达法、瞬变电磁法、红外测温法、申请号为200810044794.6的专利所说明的一种预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法、申请号为201110430066.0的专利所说明的电场约束法、煤安型综掘机载地质构造探测系统及其方法和申请号为201510460502.7的专利所说明的土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法。矿井直流电法是在煤矿巷道掘进头附近布置4根供电电极A_l、A₂、A₃、A₄构成一直线排列，分别与无穷远处布置的另一根供电电极B构成回路，向地下供入直流电，建立直流电场，同时在巷道后方使用2根相对固定距离的电极M,N测量其电场分布规律，通过专用配套解释技术处理后，得到掘进巷道或隧道迎头前方0m～140m内的地质体的电性分布信息。但在实际工作中，解释方法与工作条件有一定限制，采集的数据往往与数值计算的结果差异较大，视电阻率单一参数存在多解性，导致异常较多，异常与出水量不对应，造成煤矿多打钻。地震反射波法中应用较广的有隧道地震剖面法(TSP)^[1]和隧道垂向地震剖面法(TUSP)。两种方法的工作方式稍有差异，但都是利用地震反射原理，在巷道布置震源激发点和三分量检波器，激发震源后接收全空间情况下前方界面的反射波，利用反射波时距曲线来计算前方结构面的位置和产状，预测巷道前方最远约300m以上可能存在的不良地质界面^[1]。地震反射波法对岩层速度分界面能较好的确定，但在实际工作中，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，尤其是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构造，尤其是对点状导水通道更是无能为力^[2]。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，其核心是利用了层状介质中瑞雷波的频散特性，即不同频率成分具有不同的相速度，通过频散曲线来进行地质解释。瑞雷波法分为稳态和瞬态两种方法，稳态法实际工作时，需要利用振动器逐个频点激发2～9900Hz的控频瑞雷波进行分频测试，而瞬态瑞雷波则用锤击方式取代了激振器，一次激发出各种频率成分，同时检波器也接收到富含各种频率成分的信号。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构造的形态和空间位置。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。瞬变电磁超前探测基于地面瞬变电磁的原理，获取掘进前方地质体的电阻率，通过电阻率差异判断地质构造、导含水体等。该方法的优点是施工快捷，但井下瞬变电磁方法存在四个缺点，一是盲区较大，不能探测掘进头附近约30m范围内的地质体；二是巷道内大量存在的金属体同样能被一次场激发产生强烈的涡流场，与二次场叠加在一起后，使瞬变信号难以分离；三是接受的信号包含巷道前方后方地质体的信息，对异常体的定向仍然存在不确定性；四是目前尚无符合我国煤矿安全防爆要求的瞬变电磁仪器可供使用。红外测温技术是以岩石热传导、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，但探测范围较短，一般小于30m，只能定性解释，不能定量解释。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。申请号为201110430066.0的发明专利说明了一种电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统及其方法。该系统由煤巷综掘超前探测仪、发射电极、约束电极和接地电极组成。通过发射电极和约束电极向待测区域发射双频调制波电流，在煤岩中产生激发极化效应。极化信息由探测仪的接收部分进行采集和处理、自动计算视电阻率及视幅频率即PFE值，并转换为坐标图形显示，据此判断掘进前方的地质构造，采用角度扫描和深度扫描方式确定异常体的位置。探测数据自动存储，通过专门的资料解释软件进行进一步分析，得到掘进前方的地质构造，完成煤巷综掘面的超前探测。申请号为201510460502.7的专利说明了一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法，该系统利用刀盘上搭载的推进电极系统将针状电极贯入土体进行供电和采集，克服了土压平衡盾构没有探测空间的困难；利用屏蔽电极使探测电流前向分布以及刀盘上的喷浆设备向刀盘和盾构周边土体喷射高阻注浆材料克服了电磁干扰和盾构作为良导体导出电流的困难；利用全过程自动化控制，多路并行采集和快速反演手段克服了探测时间少的困难。该方法利用地质体电阻率差异实现了球状风化体、软硬分层地层、前方全断面硬岩、卵石层、淤泥质层的探测；利用激发极化半衰时实现了富水层含水情况的探测。

现有技术提出了一种巷道掘进中电阻率法超前探测技术，该探测技术是使用独立的一个或两个单极-偶极排列装置进行数据采集，解释过程是：首先进行测区岩石电性参数测试，了解测区正常岩石电性特征和已知的异常地质体的电性特征；在给定相应的模型及其参数后，分别计算正常场和异常场理论曲线；然后通过实测曲线与理论曲线比较，确定异常点位置以及异常体类型；最后利用人工作图法确定异常具体位置。其缺点是：A)在利用原始曲线比较法确定异常点，再利用人工作图法确定地质异常的具体位置时，由于存在巷道内局部积水、局部不均匀、层状地层、地层各向异性等方面的影响因素,上述解释方法有时不能发现异常，甚至解释出错误的结果；B)没有进一步的处理措施；C)异常解释没有标准，不能确定异常的临界值；E)探测距离小(其最大探测距离约42m)。

现有技术中使用的直流三点-三极超前探测法(或直流电三点源超前探测技术)，此方法为在前一方法基础上发展而来，对所测数据有了初步处理措施，其探测技术是联合使用三个单极-偶极排列装置采集数据，解释过程是：首先对测区内已知地质异常体作前提性试验,初步了解该区地质异常体的电性特征及异常性质；模拟计算该区正常场的理论曲线；消除迎头后方巷道的影响，对理论、实测视电阻率曲线进行校正；消除地层层状空间的影响；将实测的三条异常曲线与理论曲线比较，找出相对异常位置；根据异常特征确定异常点位置以及异常体性质。优点是：数据进行了初步处理。缺点是：A)正演计算不同地点的正常场和异常场理论曲线很难准确实现，且不考虑地层各向异性时地层的影响，因此判断异常的基础不稳定，給进一步解释带来较大误差；B)测量数据的中间处理步骤较复杂而且多余，易带来计算误差，如巷道空间影响的校正；C)解释没有标准，人工判别容易漏掉异常，准确度较低；D)探测距离较短(其探测距离短，最大80m)。

现有技术中还存在使用直流四点-三极超前探测法，此方法为在前一方法基础上发展而来。其优点是仅使用电阻率一个参数就能超前探测100m内的含导水地质构造的低阻异常准确位置，其缺点是：不能判断其含水量大小。

随着煤矿现代化程度的提高，巷道掘进速度也随之提高，日进尺可达50m以上。一旦上述方法预测出有低阻异常存在，按照有关规定，煤矿必须停止掘进，打钻验证上述低阻异常是否含导水地质构造。但由于此种物探低阻异常绝大多数不含水，又不能提前判断是否含水及水量大小，致使煤矿多打钻严重影响掘进生产速度。因此，迫切需要一种既能探测出低阻异常位置，又能提前预测相对含水量大小，特别是灾害性含导水构造的超前探测技术，以保障煤矿生产安全，还能提高掘进速度。

发明内容

为了解决目前现有的煤矿巷道掘进超前探方法只能探测出低阻异常位置，不能预测相对含导水量大小等问题，本发明提出了一种煤矿巷道顺层含水构造超前时差探测方法。该探测方法不仅能定量化解释破碎带、断层等含水导水构造、老窑采空积水区等地质异常的位置，又能有效识别掘进头前方这些地质构造的相对水量大小，为煤矿防治水提供一种新技术，减少打钻量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

利用三组AMN∞B直流电法测量装置，在巷道工作面迎头布置供电电极A(i)(i＝1,2,3)，所述供电电极A(i)(可简称A)与无穷远处设置的电极B构成回路AB；在所述回路AB内输入两种不同的激发电流，在不同极距测量两种激发电流激发出来的二次电位达到半衰时的时间差值，即二次时差，其中，所述极距为两测量电极MN之中点与供电电极A之间的等效距离；根据所述二次时差值在笛卡尔直角坐标系中x轴所围成的面积的大小判断含水构造的相对含水量大小。

本发明的有益效果是，能顺煤层探测掘进巷道工作面前方较长距离(最大探测距离100m)内的地质构造的位置及含水量相对大小；特别是不会漏掉灾害性含水构造，能大大减少无害物探异常的数量，减少打钻量，大大提高煤矿掘进速度。

为了解决目前现有的煤矿巷道掘进超前探测方法只能探测出低阻异常位置，不能预测相对含导水量大小等问题，本发明提出了一种煤矿巷道顺层含水构造超前二次时差探测方法。该探测方法不仅能定量化解释破碎带、断层等含水导水构造、老窑采空积水区等地质异常的位置，又能有效识别掘进头前方这些地质构造的相对水量大小，为煤矿防治水提供一种新技术。

附图说明

图1为本发明施工布置示意图。

图2为探测原理示意图。

图3(a)为视电阻率异常拟巷道断面图；

图3(b)为视电阻率异常综合曲线图；

图3(c)为二次时差异常曲线图。

具体实施方式

1、井下施工方法及其探测原理

参见图1，采用三组AMN∞B直流探测装置、即六电极系(A₁A₂A₃MN∞B)二次时差法顺层超前探测装置，在掘进头后方巷道内测量人工电场的分布规律，以超前预测掘进头前方的地质构造的位置与相对水量大小。由于一般岩层含水时电阻率值急剧下降，在含水层中随激发电流的增大，衰减时也相应增大，非含水层中随激发电流的增大，其基本不变或逐渐减小，因此该方法能识别掘进头前方的水量相对大小。

A.井下施工方法

建立(A₁A₂A₃MN∞B)测量系统(6电极系测量系统)。在巷道掘进头附近等间距L(L＝1～8m)布置4个供电电极A₁、A₂、A₃，与无穷远处布置的一个供电电极B构成回路，分别连接A₁B、A₂B、A₃B往地下供入直流电建立人工电场。如图1为组合6电极系施工布置图。

在巷道后方距供电电极一定距离，布置两个测量电极M、N(与掘进头附近供电电极呈直线分布，M、N之间距为1～8m)测量该电场中大、小两种电流激发出来的二次电位。

测量方法：每相对固定一次MN电极的位置，对Ai(i＝1,2,3)所有供电电极分别单独供电时所建立的地下电场进行测量，测量参数为：

(MN/m，A₁O/m，U₁/mV，I₁/mA，ρ_S1/Ω·m，S_c1)

(MN/m，A₂O/m，U₂/mV，I₂/mA，ρ_S2/Ω·m，S_c2)

(MN/m，A₃O/m，U₃/mV，I₃/mA，ρ_S3/Ω·m，S_c3)

{注：MN是M与N电极之间的直线距离；A_iO是A_i与O(O为MN之中点)之间的直线距离，即探测距离；U_i是A_i与B供电时MN间的电位差，I_i是A_i与B供电时的电流，ρ_Si为A_i与B供电时，该装置所测的视电阻率，S_ci为Ai与B供电时，测量的二次时差。}

跨步式移动一次M或N后，再次重复上述步骤，直到达到测量目的为止。结果获得3条视电阻率曲线和3条二次时差曲线。

B.探测原理：

参见图2，在巷道掘进头附近建立(A₁A₂A₃MN∞B)测量系统(6电极系测量系统)，等间距L布置3个供电电极A₁、A₂、A₃，分别按一定的电流制式与时间，先后供入大、小两种激发电流，建立人工电场。根据电流场分布原理，供电电极(A₁、A₂、A₃)分别供电时都是点电源，其电流线以A_i极(i＝1，2，3)为球心往外辐射，其等电位面是以A_i极为球心的球面，该球面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同。断电后用稳定可靠的仪器将二次电位的放电过程记录下来，测量大、小两种电流激发出来的二次电位，由断电后的最大值衰减到一半所需要的时间即半衰时的差值，称二次时差值，用S_c表示，即S_c＝S_td-S_tx，式中S_td、S_tx分别为采用大、小电流激发测得的半衰时。根据二次时差原理，在含水构造中将出现正的时差，非含水层构造则出现零或负的时差。

探测距离等于点电源A_i与MN之中点O之间距A_iO。

现场测量时，按一定的比例改变极距，测得一系列的二次时差值，点绘于线性笛卡尔坐标系中，横坐标为深度，纵坐标为二次时差值。零线以上的正异常所对应的为含水层，零线以下的负异常对应的为非含水层。正异常所包含的面积称含水因素Ms，它与地下水的单位涌水量密切相关。在同一水文地质单元内，有一个或两个已知井作参数时，可根据含水因素推算其他未知点的单位涌水量，在无已知井时，可根据含水因素即各测点时差正异常面积大小相对比较水量大小。本发明通过以下解释技术可以突出前方的地质异常，达到超前探测之目的。

2、资料处理方法与解释方法

在获取的地质信息中，包含有地下全空间各种地质体的影响。可归类为：迎头前方的、地层层状空间的、测量装置本身带来的、迎头后方MN附近的(后方巷道空间、巷道底板不均匀，MN电极接地条件的不均一、巷道内局部电性不均匀地质体等)、非正前方的影响(上方、下方、左方、右方、后方等影响)。采取以下技术措施：

A.消除层状地层空间及地层各向异性影响的方法

由于煤系地层呈层状分布，不同地区的煤系地层沉积序列有所变化，而且地层时代不同，相似岩层的电阻率也不尽相同，因此层状地层对测量结果的影响也不尽相同，使所测曲线变化无常，不易解释。

另一方面，理论上只把所有地层当成各向同性的理想状态，没有考虑地层电性的各向异性。有时地层电性的各向异性给测量结果带来很大影响，有时布极换个方向其测量数据就会变化50％以上，有时远远大于地质异常的影响，这会掩盖地质构造的真异常甚至带来假异常，不能正确解释甚至产生错误的结果。因此，超前探测时必须将层状地层的影响、地层电性的各向异性的影响消除。方法如下：

经试验证明，通过曲线误差分析，除去大于一倍均方根误差的数据，将同一地点所测三条测深曲线拟合成一条模板理论曲线，其与理论曲线的相对误差不大于5％。因此使用实测三条超前探测曲线拟合生成一条模板理论曲线可行。优点：使用实测曲线拟合生成的模板理论曲线，包含了所测地点的地层层状空间电性的反映及本次电法探测装置带来的地层各向异性的影响，比一般正演理论曲线只考虑地层各向同性时地层的综合电性准确、合理。再将实测曲线与理论模板进行归一化，可得到归一化解释曲线E_S。该曲线已经将地层层状空间的影响和各向异性的影响消除，效果好。

解释方法：当无水时，该曲线E_S(i，x)<＝0。当有水时，E_S(i，x)>0且此处电阻率为低阻异常。其中，i＝1,2,3条曲线，x＝1,2,3,……，n个测点/曲线。

B.排除迎头非正前方的影响方法—聚焦法

参见图2，将三个点电源A_i(i＝1,2,3,4)分别供入电流时，使用同一对测量电极MN测量电位差，通过等位面的几何聚焦法消除非正前方地质构造的影响，只保留前方的影响。这样，消除上述其他影响后的视电阻率剩余异常即为掘进前方地质构造的异常，达到了顺层探测掘进巷道迎头前方的地质构造之目的。

C.数据误差范围控制：时差值有正、零、负之分，误差计算不能用相对误差，只能用绝对误差，要求绝对误差不得大于0.05秒.在野外测量中，常常会遇到各种干扰，当干扰正处在断电瞬间，会造成衰减时的增大减小。二次时差曲线的正负异常也相应增大或减小，甚至出现假异常，给层位划分，水量计算造成误差。根据电流密度，当j<0.1mA/cm²的前提下，二次电位与激发电流成正比，测量中每个极距均采用大、小两个激发电流。

在理想条件下：

等式两端取对数：

式中：

I_d-大激发电流；I_x-小激发电流；ΔV_2d-大激发电流测得的二次电位幅度；ΔV_2x-小激发电流测得的二次电位幅度。

如果由于干扰等原因，造成二次电位幅值相应变化，上式计算会出现正负值。将计算结果点绘于二次时差曲线图中.即称为误差范围控制图。此值理论上为零，其偏离零线越大，说明因干扰(包括外部的、仪器内部的)造成的误差也大。根据大量实验资料统计结果得出，比值在0.05的控制范围内，所对应的二次时差值是可信的。

3、数据可视化方式与解释方法

参见说明书附图3(a)-(c)，使用一条综合视电阻率异常综合曲线图3(a)或视电阻率异常拟断面图3(b)及二次时差异常曲线图3(c)的形式，综合表示解释结果。

根据所述探测的视电阻率低阻异常及所对应位置的二次时差为正值(该正值与x轴包围的面积与含水量有关)共同解释判断构造含水性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，包括：

在巷道掘进头布置供电电极A，所述供电电极A与无穷远处设置的电极B构成回路。

在所述回路AB内输入两种不同的激发电流，在不同极距测量两种激发电流激发出来的二次电位达到半衰时的时间差值，即二次时差，其中，所述极距为两测量电极之中点与供电电极A之间的等效距离；

根据所述二次时差判断含水构造的相对含水量大小。

2.根据权利要求1所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，包括：

对于同一个供电电极A以一定比例改变测量极距，测得一系列的二次时差值，点绘于线性笛卡尔坐标系中，横坐标为测量极距，纵坐标为二次时差值，其中，零线以上的正异常所对应的为含水层，零线以下的负异常对应的为非含水层。

3.根据权利要求1所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，在掘进工作面后方距供电电极一定距离布置测量电极M和测量电极N，所述测量电极M和测量电极N与供电电极A呈直线分布；每相对固定一次MN电极的位置，对A供电电极单独供电时所建立的地下电场进行测量以获得视电阻率曲线和二次时差曲线。

4.根据权利要求1所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，所述供电电极A为三个，且等间距布置；在不同极距处测量三个供电电极A对应的二次时差以构成不同电极的测深曲线，将三条测深曲线拟合成模板理论曲线，用于超前探测掘进工作面前方的含水构造。

5.根据权利要求1所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，根据下式判断二次时差的干扰误差大小：

式中，

I_d—大激发电流；I_x—小激发电流；ΔV_2d—大激发电流测得的二次电位幅度；ΔV_2x；

其中，Δ值偏离零线越大，则因干扰造成的误差越大。

6.根据权利要求5所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，剔除Δ值大于0.05的二次时差数据。

7.根据权利要求5所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，测量过程中对干扰进行控制，使Δ值不超过0.05。

8.根据权利要求1所述的一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的二次时差方法，其特征在于，根据所探测的视电阻率为低阻异常与对应位置的二次时差为正值，该正值与x轴包围的面积与含水量有关，两个参数共同解释判断构造含水性。