CN111025410A - 电法超前探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开超前探测系统，包括至少两个超前探钻孔、电极、用于供电、采集电流与电压的电法仪，超前探钻孔位于掘进迎头前方，超前探钻孔内布置一个或多个电极，电极与电法仪连接。以及采用该系统的方法。本发明的有益效果：通过钻孔中布置电极，继而开展物探探测工作，将物探超前探测技术与钻探超前探测技术相结合，可以精确获得掘进巷道前方的水害分布情况，节约现场钻探工作量，施工效率大大提高，提高巷道掘进工作进度。

Description

电法超前探测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种地球物理探测技术，尤其涉及的是一种电法超前探测系统及方法。

背景技术

煤矿巷道在掘进过程中受到迎头前方的水害威胁，目前的解决办法是依据《煤矿防治水细则》开展巷道迎头前方的物探或钻探的综合超前探测工作，超前预测巷道掘进前方的富水区，提前采取措施处理掘进前方水害，保障巷道的安全掘进工作。

目前井下巷道超前探测工作分为两个方向的技术，一个是物探超前探测技术，一个是钻探超前探测技术；

物探超前探测技术反应巷道前方区域范围内的电阻率分布规律，当巷道前方存在水害影响时候，电阻率、极化率和自然电压分布规律发生变化，因此可以利用物探探测的电阻率、极化率和自然电压分布变化来推断巷道前方的水害；物探超前探测是获得巷道前方区域的电阻率、极化率和自然电压情况再推断出水害情况，存在人为分析水害出错的隐患；现有的物探超前探测技术是在巷道中利用专业物探设备激发和接收信号获得巷道前方的电阻率信息，巷道内干扰因素多，影响判断；

钻探技术为朝巷道前方进行钻孔施工，通过钻头实际揭露巷道前方某一点的水害情况；超前钻探工作效果准确，但又仅仅是一孔之见，为保证安全在迎头前方不得不布置大量多方位多角度钻孔，工作量大、花费高且效率低，也影响到巷道掘进生产进度。

申请号：201210182857.0，公开巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头，该技术是一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头，探头置于钻孔，将供电负电极B安装在钻孔外的巷道中，供电负电极B与现场主机由供电电缆连接；探头上有供电正电极A、测量电极M、测量电极N安装在钻孔内，探头上的有供电正电极A、测量电极M、测量电极N通过供电电缆及信号电缆与现场主机连接，供电正电极A与钻孔外的供电负电极B构成供电电极；现场主机通过探头上的测量电极M、测量电极N测量电场变化信号，输入到主机计算探测目标体的视电阻率和视极化率；推进探头，在每一测点重复上述步骤，测定各点的视电阻率和视极化率，生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；计算视电阻率和视极化率的变化率，判定以钻孔轴线为中心圆柱空间内富水区域。该技术只能判定以单个钻孔轴线为中心圆柱空间内富水区域，但是不能判定富水区域位于钻孔的哪个方位上，分不清富水区域位于钻孔的上下左右的空间位置，存在判断不准的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的超前探测工作存在误差大、异常位置无法准确定位的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

超前探测系统包括至少两个超前探钻孔、电极、用于供电、采集电流与电压的电法仪，超前探钻孔位于掘进迎头前方，超前探钻孔与掘金迎头前方呈至少一个V型结构，超前探钻孔内布置一个或多个电极，电极与电法仪连接。

本发明通过在超前探钻孔布置电极，继而开展物探探测工作，钻孔中没有巷道里面的干扰条件多，受干扰小，不会误判；再者，钻孔距离富水异常区更近，信号更强，因此，将物探超前探测技术与钻探超前探测技术相结合，可以很精确获得掘进巷道前方的水害分布情况；只需要利用现场迎头前方至少两个超前探钻孔，相邻两个超前探钻孔与掘进迎头形成V型结构，一个或多个V型结构覆盖前方富水区域，能够对上下左右多个方位进行探测，确定异常方位，保证探测效果，就能保证安全掘进工作，且利用现有的超前探钻孔，减少施工时间，可以大大节约现场钻探工作量；施工效率大大提高，现场布置电极、采集数据和处理结果仅仅需要8到12个小时即可，可以保证巷道掘进工作进度。

超前探钻孔指在掘进迎头前方一定距离煤岩体内的钻孔，用以探测前方安全情况、预防瓦斯突出等作用。通常在掘进迎头前会有多个超前探钻孔，根据现场选择呈v型的多个超前探钻孔直接利用即可。

优选的，还包括在巷道内布置的一个或多个巷道电极，巷道电极通过电缆与电法仪连接。巷道电极为普通金属电极，直接固定在底板或巷帮上。

优选的，相邻两个超前探钻孔之间的距离大于或等于40m。

优选的，相邻两个超前探钻孔分别与掘进迎头之间连线形成的夹角大于或等于23°。

优选的，超前探钻孔与掘进迎头之间的距离大于或等于102m。

优选的，相邻电极之间的间距小于2m。

优选的，所述超前探钻孔中电极为囊袋式电极，包括囊袋以及布置在囊袋上的金属片，囊袋与气源或水源连接。若为多个电极，相邻囊袋为串联相通关系，使用同一带压气源或带压水源，相邻囊袋上金属片由电缆连接后连接电法仪，囊袋式电极在充入气体或水后，保证电极在钻孔中的耦合效果。

本发明还提供一种采用上述超前探测系统的探测方法，包括以下步骤：

S01：利用巷道掘进迎头前的至少两个超前探钻孔；若现有技术中只存在一个超前探钻孔，则需要施工一个。

S02：在超前探钻孔中布置一个或者多个电极，将电极通过电缆与电法仪连接；

S03：利用电法仪给超前探钻孔及巷道中的电极依次供电，在电极供电期间电法仪采集其他电极的电流与电压数据；

S04：利用电法仪采集的电压和电流数据，通过电阻率反演计算获得巷道前方的电阻率分布数据；

S05：通过电阻率分布数据的分析，确定相对低阻异常的分布，从判断巷道前方的水害分布情况。

优选的，所述电极为囊袋式电极，包括囊袋与布置在囊袋上的金属片，囊袋与气源或水源连接，布置电极的具体方法是采用推送装置固定电极后下入孔内，推送装置包括多个依次相连的推送杆，推送杆与囊袋固定连接后下入孔中，到设定位置后，对囊袋进行充气或充水。

优选的，步骤S02中，在巷道内布置巷道电极，将巷道电极通过电缆与电法仪连接，相邻电极之间的间距小于2m。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过在超前探钻孔中布置电极，继而开展物探探测工作，钻孔中没有巷道里面的干扰条件多，受干扰小，不会误判；再者，钻孔距离富水异常区更近，信号更强，因此，将物探超前探测技术与钻探超前探测技术相结合，可以很精确获得掘进巷道前方的水害分布情况；只需要利用现场迎头前方至少两个超前探钻孔，相邻两个超前探钻孔与掘进迎头形成V型结构，一个或多个V型结构覆盖前方富水区域，能够对上下左右多个方位进行探测，确定异常方位，保证探测效果，就能保证安全掘进工作，利用现有的超前探钻孔，减少施工时间，可以大大节约现场钻探工作量；施工效率大大提高，现场布置电极、采集数据和处理结果仅仅需要8到12个小时即可，可以保证巷道掘进工作进度；

(2)利用现场已有的风压和水压装置将塞入钻孔中的囊袋变鼓变大，即迫使囊袋上的金属片贴孔壁耦合，提高电极在钻孔中的耦合效果。

附图说明

图1是本发明实施例一电法超前探测系统的示意图；

图2是两个超前探测钻孔的布置示意图；

图3是电极及推送杆和气囊组合示意图；

图4是本发明实施例二电法超前探测系统的示意图；

图5是本发明实施例三电法超前探测系统的示意图；

图6是电阻率分布图；

图7是极化率分布图。

图中标号：电极1、气囊11、金属片12、电缆2、电法仪3、巷道4、巷道电极41、推送杆5。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，电法超前探测系统，超前探测系统包括至少两个超前探钻孔、电极1、用于供电、采集电流与电压的电法仪3，超前探钻孔位于掘进迎头前方，超前探钻孔内布置一个或多个电极1，超前探钻孔内电极1通过电缆2与电法仪3连接，电法仪3采用现有技术中的设备即可，也可以根据需要选用具有供电和采集功能于一体的设备。

超前探钻孔指在掘进迎头前方一定距离煤岩体内的钻孔，用以探测前方安全情况、预防瓦斯突出等作用。通常在掘进迎头前会有多个超前探钻孔，根据现场选择呈V型的多个超前探钻孔直接利用即可。

本实施例中，超前探钻孔与巷道迎头之间连线呈V型结构，每一个分支上具有一个或多个超前探钻孔；当然还可以是呈发散状的多个V型结构。

采用现有的超前探钻孔，若原先只有一个超前探钻孔，可施工一个，或更多。

本发明通过在超前探钻孔中布置电极1，继而开展物探探测工作，钻孔中没有巷道4里面的干扰条件多，受干扰小，不会误判；再者，钻孔距离富水异常区更近，信号更强，因此，将物探超前探测技术与钻探超前探测技术相结合，可以很精确获得掘进巷道前方的水害分布情况；只需要利用现场迎头前方至少两个超前探钻孔，相邻两个超前探钻孔与掘进迎头形成V型结构，一个或多个V型结构覆盖前方富水区域，能够对上下左右多个方位进行探测，保证探测效果，就能保证安全掘进工作，利用现有的超前探钻孔，减少施工时间，可以大大节约现场钻探工作量；施工效率大大提高，现场布置电极、采集数据和处理结果仅仅需要8到12个小时即可，可以保证巷道掘进工作进度。

如图2所示，根据《煤矿防治水细则》第九十三条：矿井防隔水煤(岩)柱的尺寸不得小于20m。因此，两个超前探钻孔之间的距离大于或等于40m，本实施例中,两个超前探钻孔对称布置，L1＝L2。两个超前探钻孔分别与掘进迎头之间连线形成的夹角α大于或等于23°；超前探钻孔与掘进迎头之间的距离大于或等于102m。

相邻电极1之间的间距小于2m。

如图3所示，所述电极1为囊袋式电极，包括囊袋与布置在囊袋上一圈的金属片12。囊袋与气源或水源连接，可直接利用井下带压风或带压水，无需另外设置气源与水源。

其中，用于将电极1送入钻孔中的为推送装置，所述推送装置包括多个推送杆5，本实施例中，囊袋为气囊11，多个推送杆5采用螺纹连接或者卡扣依次连接，目的为将气囊11送入钻孔中固定和导向作用，将气囊11与推送杆5绑定后下入孔中后，到达设定位置后，对气囊11进行充气，其中，气囊11也可以由水囊替换，水囊中充入水(或其他带压流体)。变鼓的气囊11或水囊将金属片12与钻孔孔壁耦合，提高电极1在钻孔中的耦合效果。

若电极1为2个以及2个以上，则相邻电极1之间采用电缆2连接，相邻囊袋之间相通，采用同一气源或水源。

实施例二：

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于：(1)还包括巷道4内的巷道电极41；(2)与实施例一中电极不同；

超前探测系统中，还包括在巷道4内布置一个或多个巷道电极41，巷道电极41通过电缆2并与电法仪3连接。相邻巷道电极41之间的间距小于2m。

巷道内电极不是囊袋式电极，为普通电极(金属杆、金属片等)，固定在巷道帮壁上或底板即可。

实施例三：

如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于：具有一个以上的V型结构。

本发明还提供一种采用上述实施例一或二中超前探测系统的探测方法，包括以下步骤：

S01：利用巷道掘进迎头前方至少两个满足要求的超前探钻孔，使超前探钻孔满足以下条件：两个超前探钻孔之间的距离大于或等于40m，两个超前探钻孔分别与掘进迎头之间连线形成的夹角大于或等于23°，超前探钻孔与掘进迎头之间的距离大于或等于102m；以保证可以覆盖前方水害区域；若现有存在两个以及两个以上的超前探钻孔，则直接利用，若只有一个，则需要施工一个及以上，施工的孔满足上述要求；

S02：在两个以上超前探钻孔中利用推送杆5和气囊(或水囊)将单个或者多个电极1后下入孔内，下入设计位置后，对气囊进行充气(或对水囊进行充水，或其他带压流体)，所有电极1通过电缆2连接后与电法仪3连接，相邻电极1之间的间距小于2m；

S03：利用电法仪给超前探钻孔(实施例二中还包括巷道中的巷道电极)的电极依次供电，在电极供电期间，电法仪采集其他电极的电流与电压数据；

S04：利用电法仪采集的电压和电流数据，通过电阻率反演计算获得巷道前方的电阻率、极化率和自然电压的分布数据；

S05：通过电阻率、极化率和自然电压的分布数据的分析，确定相对低阻异常的分布，从判断巷道前方的水害分布情况。

如图6、图7所示，电阻率越低、极化率越高和自然电压高的区域，含水量越高，当探测区域中前方出现相对低电阻率区域或极化率高和自然电压高的区域，就可以初步判断前方区域为富水区。

本发明采用一个或多个V型结构覆盖前方富水区域，避免钻孔的一孔之见的局限，同时又避免了巷道内的物探探测受到巷道干扰因素影响探测效果；由于靠近富水区域近，因此探测信号更强，富水区域定位更加准确。同时，由于采用的是两个或多个钻孔组成的V型结构，能够对上下左右多个方位进行探测，确定异常富水区域的空间方位。这种方式比单孔做电法探测效果更加准确，单孔电法探测只能判定以单个钻孔轴线为中心圆柱空间内富水区域，但是不能判定富水区域位于钻孔的哪个方位上，分不清富水区域位于钻孔的上下左右的空间位置，存在判断不准的问题。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，包括电阻率反演计算、电法仪的选用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.电法超前探测系统，其特征在于，包括至少两个超前探钻孔、电极、用于供电、采集电流与电压的电法仪，超前探钻孔位于掘进迎头前方，超前探钻孔与掘金迎头前方呈至少一个V型结构，超前探钻孔内布置一个或多个电极，电极与电法仪连接。

2.根据权利要求1所述的电法超前探测系统，其特征在于，还包括在巷道内布置的一个或多个巷道电极，巷道电极通过电缆与电法仪连接。

3.根据权利要求1所述的电法超前探测系统，其特征在于，相邻两个超前探钻孔之间的距离大于或等于40m。

4.根据权利要求1所述的电法超前探测系统，其特征在于，相邻两个超前探钻孔分别与掘进迎头之间连线形成的夹角大于或等于23°。

5.根据权利要求1所述的电法超前探测系统，其特征在于，超前探钻孔与掘进迎头之间的距离大于或等于102m。

6.根据权利要求1所述的电法超前探测系统，其特征在于，相邻电极之间的间距小于2m。

7.根据权利要求1所述的电法超前探测系统，其特征在于，所述超前探钻孔中电极为囊袋式电极，包括囊袋以及布置在囊袋上的金属片，囊袋与气源或水源连接，若为多个电极，相邻囊袋之间相通，相邻囊袋上的金属片连接。

8.一种采用上述权利要求1中所述电法超前探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：利用巷道掘进迎头前的至少两个超前探钻孔；

S02：在超前探钻孔中布置一个或者多个电极，电极通过电缆连接后与电法仪连接；

S03：利用电法仪给超前探钻孔中电极依次供电，在电极供电期间，电法仪采集其他电极的电流与电压数据；

S04：利用采集的电压和电流数据，获得巷道前方的电阻率分布数据；

S05：通过电阻率分布数据的分析，确定相对低阻异常的分布，从判断巷道前方的水害分布情况。

9.根据权利要求8所述的电法超前探测系统，其特征在于，所述超前探钻孔中电极为囊袋式电极，包括囊袋与布置在囊袋上的金属片，囊袋与气源或水源连接，布置电极的具体方法是采用推送装置固定电极后下入孔内，推送装置包括多个依次相连的推送杆，推送杆与囊袋固定连接后下入孔中，到设定位置后，对囊袋进行充气或充水。

10.根据权利要求8所述的电法超前探测系统，其特征在于，步骤S02中，在巷道内布置一个或多个巷道电极，将巷道电极通过电缆与电法仪连接。

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