CN109343131A - 一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电法探测方法与装置，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置。本发明在地面供电电极建立稳定直流电场，利用不同的电极在测线处产生的电位差信号差异判断异常体相对于测线的方位；本发明采集的电位差信号中包含周围电阻率异常地质体的信息，对测线整体数据进行处理与分析，能实现对目标体的探测。本发明利用了地面电极发射功率大且观测系统多样以及地下接收电极距离异常体近的优点，能够提高探测效果。

Description

一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种电法探测方法与装置，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置。

背景技术

直流电法是以地壳中岩矿石的导电性差异为物性基础，通过观测与研究人工建立的直流电场分布规律来找寻矿产和解决地质问题的勘探方法。常规的直流电法按照施工环境可分为地面高密度电法和矿井高分辨电法，地面高分辨电法施工环境为地面，供电电极和测量电极均位于地表，基于测量得到的电位差信息反算地下电阻率分布情况。矿井高分辨直流电法施工环境为矿井巷道，供电电极和测量电极均位于地下巷道中，依靠测量电极记录的电位差大小来计算和推断巷道附近电性特征。

作为直流电法的不同分支，地面高密度电法和矿井高分辨电法继承了直流电法抗干扰能力强、分辨率高的优点，在水文、工程、环境地质调查和矿井水文地质条件勘探领域得到了广泛应用。地面高密度电法可设计二维平面观测系统，实现三维勘探，又因其具有发射功率大的优点，在实际应用中取得了较好的探测效果，但当异常体埋深较大时，其探测能力下降。矿井直流电法勘探靠近异常体，对巷道附近异常体探测效果较好，但一般只布置一维线状观测系统，探测得到的电性剖面是勘探体积内地质体电性的综合响应，无法区分异常的具体方位，并且受防爆等条件影响井下电法发射功率有限，探测能力较弱。

公开号为CN104992440A的中国发明专利公开了一种直流电法地孔探测方法与装置，该发明通过地面大电流供电，建立稳定对称的点电源场，井下钻孔中直接测量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。该发明是在钻孔投影的地面相应位置布置供电电极，不能实现对异常位于测线左侧还是右侧做出判断。

公开号为CN105891891A的中国发明专利公开了一种掘进工作面多方位直流电法超前地质探测系统，在井下巷道中设置直流电法仪，在井下巷道的采掘工作面的中央位置上设置直流电法探测电极，在靠近井下掘进工作面的巷道中布置接收电极。该发明提供的探测系统本质上属于矿井直流电法的一种，同样面临着发射功率有限，且不能判断异常位于测线左侧还是右侧。

公开号为CN104007472A的中国发明专利公开了一种孔中直流电法超前探测方法，该方法在巷道掘进迎头附近布置多个供电电极，与无穷远电极一起组成供电系统，向地层中供出稳恒电流，建立点电源场，在迎头前方顺层钻孔内布置由接收电极组成的接收系统，观测点电源场变化规律，探测巷道掘进前方隐伏致灾体的直流探测方法。该方法仍属于矿井直流电法的一种，发射功率有限，不能判断异常位于测线左侧还是右侧。

公开号为CN106680882A的中国发明专利公开了一种基于井上下空间立体直流电法数据采集的探测系统，该发明包括地面直流电法主机、地面电极、垂直孔直流电法主机、垂直孔电极、第一开采水平直流电法主机、第一开采水平电极、第二开采水平直流电法主机和第二开采水平电极。该发明涉及的系统过于庞大，实际工程中难以实施，其测量电极位于垂直孔或巷道中，未涉及水平孔，另外其未利用不同供电-测量组合对异常方位进行判断。

因此，对现有技术中的电法探测方法与装置进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

现有技术中通过地面大电流供电，井下钻孔中接收单点电位，因是单一观测系统，无法判断异常方向；在井下巷道掌子面中央位置供电，在后方巷道中接收，发射功率有限，且不能判断异常相对于测线的方向；在井下巷道掘进头供电，在迎头前方顺层孔内布置电极接收，发射功率有限，且不能判断异常相对于测线方向。

本发明的目的是提供一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置，解决了现有技术中存在的问题。为解决上述问题，本发明的方案是：

一种侧向供电的地井直流电探测方法与装置，地面布置载有直流电的供电电极，给目标区建立稳定的直流电场，地下巷道或钻孔中布置测线接收电位差，实现对测线周围异常地质体的探测，包括：

在目标煤层内设置接收测线；

在地面布置若干组供电电极，在各电极组内供电电极的两个电极连线垂直于所述接收测线且到所述测线的距离相同；

在测线上分别采集位于测线两侧的供电电极分别供电时的电位差信号，基于所述电位差信号对目标体进行探测。

所述供电电极分别与无穷远处的电极连接形成2组供电回路；其中，所述供电电极投影位置分别位于测线的两侧。

所述无穷远处是指，该处距离供电电极的距离，大于该处距离最远测点距离的5倍以上。

所述布置在地下巷道或钻孔内的接收测线，为近似水平布置。

通过供电电极给大地供入直流电，在目标区域建立稳定的人工电场，由于地下电阻率异常体的集流或排斥效应，异常地质体周围电流密度升高或降低，电位梯度降低或升高，形成电场异常，当供电电极组分别供电时，在地下巷道或钻孔内的测点处布置接收电极组，分别采集电位差，得到一个测点的数据；将接收电极组移到下一个测点，采集电位差信号，如此反复循环，得到测线的整体数据。

当异常地质体分别位于测线方向的两侧时，地面供电电极建立的稳定直流电场，在测线处产生的电位差信号存在明显差异：

若第一侧的电极供电时，视电阻率响应典线凹陷的最低点视电阻率值较小，且第二侧的电极供电时，视电阻率响应典线凹陷的最低点视电阻率值相比第一侧的电极供电时变大，则异常位于第一侧。

若当第一侧电极供电时，电阻率响应典线凹陷的最低点视电阻率值较第二侧电极供电时大，则异常位于第二侧。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在地面供电电极建立稳定直流电场，利用不同的电极在测线处产生的电位差信号差异判断异常体相对于测线的方位。

(2)采集的电位差信号中包含周围电阻率异常地质体的信息，对测线整体数据进行处理与分析，能实现对目标体的探测。

(3)本发明利用了地面电极发射功率大且观测系统多样以及地下接收电极距离异常体近的优点，能够提高探测效果。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发明实施例中的一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置示意图；

图2-1和2-2例示了本发明实施例中对比例的方案示意图；

图3例示了本发明实施例中对比例的不含异常体时背景响应曲线图；

图4-1和4-2例示了本发明实施例中对比例的包含异常体时响应曲线图。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例，首先提供了一种侧向供电的地井直流电法探测方法。下面结合图1-图4对该方法进行详细介绍。

图1例示了一种侧向供电的地井直流电法探测方法与装置示意图。如图1所示，本实施例中，在地面布置2个分别命名为A、B的供电电极，分别与无穷远处命名为C的供电电极连接，形成AC、BC共2组供电电极，将2组供电电极(AC、BC)分别与供电设备相连，组成2套供电系统，2个供电电极(A、B)投影位置分别位于测线的两侧。

如图1所示，本实施例在地下巷道或钻孔内布置接收测线，接收测线位于地面2个供电电极(A、B)投影位置的中间；接收测线的测点处布置分别命名为M、N的一组接收电极，接收电极组与接收设备相连，组成接收系统。

通过供电电极给大地供入直流电，在目标区域建立稳定的人工电场，由于地下电阻率异常体的集流或排斥效应，异常地质体周围电流密度升高或降低，电位梯度降低或升高，形成电场异常；在供电电极组AC和BC分别供电时，在地下巷道或钻孔内的测点处布置接收电极组MN，分别采集电位差，得到一个测点的数据；将接收电极组MN移到下一个测点，采集电位差信号，如此反复循环，得到测线的整体数据。

当异常地质体位于测线方向的一侧时，地面供电电极建立的稳定直流电场，在测线处产生的电位差信号存在明显差异，依据此现象，在AC、BC分别供电时采集电位差信号，据此对异常体位于测线的方位进行判断。

采集的电位差信号中包含周围电阻率异常地质体的信息，对测线整体数据进行处理与分析，包括：

根据装置系数计算公式可以得到：

AMN电极系装置系数计算公式为：

BMN电极系装置系数计算公式为：

利用上述两式可以计算得到AMN和BMN电极系的装置系数，然后利用下面公式：计算视电阻率ρ_S，式中K为装置系数，ΔU为电位差，I为发射电流。

用所述视电阻率ρ_S按测点顺序成图，根据图中曲线起伏形态能实现对目标体的位置判别。

图2-图4是根据本实施的上述方法进行效果验证的结果。

图2例示了本发明实施例中的实测方案的示意图；以图2-1为例，利用数值模拟方法，采用地面-钻孔装置，在地面布置供电电极，水平钻孔内布置接收电极，钻孔长200m，深度200m，测线靠近Y正方向布置一个长方体状异常体，异常体大小24m×20m×4m，异常体中心坐标(0,30，-200)。假设大地为均匀介质，电阻率为100Ω·m，异常体电阻率设定为1Ω·m,采用三极装置进行模拟计算。

图3为不含异常体时的背景响应曲线，图中将A电极和B电极分别供电情况下的视电阻率进行成图，可以看出，两种供电条件下，视电阻率曲线均位于100Ω·m值附近，且两曲线基本重合。

图4-1为供电电极A与异常体同侧时(对应图2-1)的响应曲线，图4-2为供电电极B与异常体同侧时(对应图2-2)的响应曲线。对比图4和图3发现，存在异常时导致曲线在异常对应测线位置处出现一个‘M’型低阻凹陷，这个凹陷是异常体在三极曲线上的响应，反映了异常体的水平位置。仔细观察供电点在不同位置时的曲线可以发现，当供电电极位于异常体一侧时，中间‘M’型低阻凹陷最小值点视电阻率值较小，凹陷落差大，反之当供电电极与异常体不同侧时，中间‘M’型低阻凹陷最低点电阻率相对同侧时偏高，凹陷落差较小。

因此，通过两电极交替供电时，曲线中‘M’型低阻凹陷幅值及最低点高低不同可判断异常相对测线的方位。若当A电极供电时，‘M’型凹陷的最低点视电阻率值较小，B电极供电时，M’型凹陷的最低点视电阻率值相比A供电变大，则异常位于供电电极A侧，反之，若当A电极供电时，‘M’型凹陷的最低点视电阻率值较B电极供电时大，则异常位于供电电极B侧。具体可见图2-1、4-1和图2-2、4-2所示。

通过以上描述可知，本发明在地面供电电极建立稳定直流电场，利用不同的电极在测线处产生的电位差信号差异判断异常体相对于测线的方位。

本发明采集的电位差信号中包含周围电阻率异常地质体的信息，对测线整体数据进行处理与分析，能实现对目标体的探测。本发明利用了地面电极发射功率大且观测系统多样以及地下接收电极距离异常体近的优点，能够提高探测效果。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种侧向供电的地井直流电法探测方法，其特征在于，包括：

在目标煤层内设置接收测线；

在地面布置若干组供电电极，在各电极组内供电电极的两个电极连线垂直于所述接收测线且到所述测线的距离相同；

在测线上分别采集位于测线两侧的供电电极分别供电时的电位差信号，基于所述电位差信号对目标体进行探测。

2.根据权利要求1所述的一种侧向供电的地井直流电法探测方法，其特征在于，包括：所述供电电极分别与无穷远处的电极连接形成2组供电回路；其中，所述供电电极投影位置分别位于测线的两侧。

3.根据权利要求1所述的地井直流电探测方法与装置，其特征在于，所述无穷远处是指，该处距离供电电极的距离，大于该处距离最远测点距离的5倍以上。

4.根据权利要求1所述的一种侧向供电的地井直流电法探测方法，其特征在于，包括：通过供电电极给大地供入直流电。

5.根据权利要求1所述的地井直流电探测方法与装置，其特征在于，所述布置在地下巷道或钻孔内的接收测线，为近似水平布置。

6.根据权利要求1所述的一种侧向供电的地井直流电法探测方法，其特征在于，通过供电电极给大地供入直流电，在目标区域建立稳定的人工电场，由于地下电阻率异常体的集流或排斥效应，异常地质体周围电流密度升高或降低，电位梯度降低或升高，形成电场异常，当供电电极组分别供电时，在地下巷道或钻孔内的测点处布置接收电极组，分别采集电位差，得到一个测点的数据；将接收电极组移到下一个测点，采集电位差信号，如此反复循环，得到测线的整体数据。

7.根据权利要求1所述的一种侧向供电的地井直流电法探测方法，其特征在于，当异常地质体分别位于测线方向的两侧时，地面供电电极建立的稳定直流电场，在测线处产生的电位差信号存在明显差异：

若第一侧的电极供电时，视电阻率响应典线凹陷的最低点视电阻率值较小，且第二侧的电极供电时，视电阻率响应典线凹陷的最低点视电阻率值相比第一侧的电极供电时变大，则异常位于第一侧。

8.根据权利要求1所述的一种侧向供电的地井直流电法探测方法，其特征在于，

若当第一侧电极供电时，电阻率响应典线凹陷的最低点视电阻率值较第二侧电极供电时大，则异常位于第二侧。

9.一种侧向供电的地井直流电法探测系统，其特征在于，包括：

设置于目标煤层的接收测线；

布置于地面的若干组供电电极，在各电极组内供电电极的两个电极连线垂直于所述接收测线且到所述测线的距离相同；

位于在测线上的接收装置，用于采集位于测线两侧的供电电极分别供电时的电位差信号。

10.根据权利要求7所述的一种侧向供电的地井直流电法探测系统，其特征在于，包括：所述供电电极为2个，分别与无穷远处的电极连接形成2组供电回路；其中，所述供电电极投影位置分别位于测线的两侧。