CN111650652B - 坑道三方向视电阻率超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坑道三方向视电阻率超前探测方法，适用于坑道等地下工程施工过程中坑道前方隐蔽灾害地质体及其赋水性探测：先在坑道内设计电法测线，在测线上依次布置s个供电点和n个测量点，并施工供电电极和三方向测量电极组；将供电电缆和接收电缆与电法仪连接，完成不同供电点的供电电流I与测量点三个方向的电位差ΔU_x、ΔU_y及ΔU_z数据采集，计算三方向视电阻率；再采用基于光滑约束的最小二乘反演算法对获得的三方向视电阻率数据进行反演，得到坑道掘进前方地质体的三维电阻率图像，提取坑道掘进前方水平和垂直电阻率剖面，判定坑道掘进前方隐蔽灾害地质体的空间位置及其赋水性，从而为坑道安全掘进提供技术参数。

Description

坑道三方向视电阻率超前探测方法

技术领域

本发明涉及坑道掘进前方隐蔽灾害地质体及其赋水性超前探测技术领域，具体是坑道三方向视电阻率超前探测方法。

背景技术

矿山巷道及地面隧道等坑道掘进过程中频繁遭遇隐伏的断层、陷落柱、溶洞、软弱结构面、裂隙带等不良地质体，当上述地质体富水时常引发突水等严重的水害事故。因此，坑道超前探测是矿山及交通等工程领域的一项重要工作内容。目前，针对坑道掘进前方地质体赋水性探测的方法主要有地质雷达法、瞬变电磁法和直流电阻率法等。地质雷达法因受高频电磁波能量衰减快及介质不均匀等因素影响，其探测距离短、雷达波信噪比低，严重制约该方法探测能力；瞬变电磁法因浅部存在探测盲区且电磁场响应信号受坑道内金属干扰严重，实际探测效果不佳；直流电阻率法对地质体赋水性灵敏度高且探测距离较长，但现阶段该方法是通过在坑道后方底板布置电极，仅能观测沿坑道走向的单向视电阻率，而该视电阻率为地质体方位、倾角、至掘进工作面垂直距离、规模及电阻率等多个因素的综合影响，无法准确实现对地质体的空间定位，致使该方法超前探测精度较差。

针对上述存在的技术问题，目前已有相关专利：

中国专利授权公开号为CN103645514A中公开了一种多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测方法及系统，其实质主要是直流电阻率法在隧道(巷道)超前预报中采用三极法的探测模式，即将供电正极A置于掌子面，供电负极B置于隧道后方“无穷远”处，测量电极M、N沿着隧道轴向移动测量。其中，测量电极M因布设在地下工程工作面上多条平行测线上，故构成阵列式测量电极系。实际工作时，电法仪器测量供电电极向大地供电的供电电流I与多条平行测线上的多个测量电极M与测量电极N间的电势差U_MN，根据视电阻率计算公式所得的视电阻率值仅为平行于隧道(坑道)走向的单方向的视电阻率值，故该方法对隐蔽地质异常体产状、规模和电阻率等参数的捕捉能力有限，对远处的异常体响应相对不敏感，无法准确实现对地质体的空间定位。

故基于现有直流电阻率超前探测方法的不足，本发明提出坑道三方向视电阻率超前探测方法，旨在提高对坑道掘进前方隐蔽地质体及其赋水性的探测精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种坑道三方向视电阻率超前探测方法，以解决传统直流电阻率超前探测方法对地质体的空间定位不足等问题，旨在提高对坑道掘进前方隐蔽地质体及其赋水性的探测分辨率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种坑道三方向视电阻率超前探测方法，包括步骤：

(1)在坑道侧面与底面交线上沿x轴负方向布置一条电法测线，测线起点为坑道掘进工作面、侧面和底面的交点，即空间直角坐标系原点；

(2)从电法测线起点向坑道后方(即x轴负方向)按间距d依次布置s(2≤s≤4)个供电点和n(32≤n≤64)个测量点，按顺序编号为A₁、A₂……A_s，m₁、m₂、m₃、……、m_n-1、m_n；

(3)在每个供电点位置布设供电正极C，在坑道后方一定距离布设供电负极B。一般，供电正负极之间的距离CB≥2*(n+s-1)*d。将正、负电极通过供电电缆与电法仪器连接，形成完整供电回路；

(4)对每个测量点布置1套接收电极组，每套接收电极组由4个测量电极组成，依次编号为P₁、P₂、P₃和P₄，构成P₁P₂、P₁P₃和P₁P₄共3个测量电极对。其中测量电极对P₁P₂沿x轴负向布置且P₁布置于测量点位置；测量电极对P₁P₃沿y轴正向布置；测量电极对P₁P₄沿z轴正向布置；施工中应确保P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄相互正交且距离均为r(一般1m≤r≤2m，实际取值依据坑道截面大小而定)；将所有测量电极通过接收电缆连接电法仪器，形成完整测量回路；

(5)实施三向视电阻率数据采集，具体数据采集顺序如下：

①针对测量点m₁，先在A₁供电点向大地供电并记录供电电流I，供电过程中同时分别记录测量电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的电位差ΔU_x、ΔU_y和ΔU_z；然后根据视电阻率计算公式ρ_s＝k·ΔU/I(其中k为装置系数，由供电点和测量点位置关系及测量电极距离r决定)计算测量点在x(即P₁P₂)、y(即P₁P₃)和z(即P₁P₄)三个方向的视电阻率ρ_sx、ρ_sy和ρ_sz；按以上方式观测A₂至A_s供电点供电时的电流及m₁测量点在x、y和z三个方向上的电位差，并计算视电阻率值；以上过程完成了1个测量点所对应的全部供电点的三方向视电阻率数据。

②移动测量电极组至测量点m₂，按①中数据采集方式分步观测A₁至A_s供电时m₂测量点所对应的三方向视电阻率数据；以此类推，依次观测所有测量点的三方向视电阻率数据。

(6)将步骤(5)测量获得的三方向视电阻率数据进行合并，导入电阻率反演程序，获得坑道掘进前方地质体的三维电阻率图像；

(7)从步骤(6)反演获得的三维电阻率数据体中提取坑道掘进前方水平和垂直电阻率剖面，结合已知地质资料，进一步判定坑道掘进前方隐蔽灾害地质体的空间位置并判定其赋水性，为坑道安全掘进提供技术参数。

作为优选，所述步骤(6)中电阻率反演时将探测区域三维网格化，计算每个网格内的电阻率，采用光滑约束的最小二乘反演算法，电阻率反演目标函数为：

(G^TG+λC^TC)Δm＝G^TΔd

式中，△d为观测数据d和正演理论计算值d₀之间的残差向量；G为系数矩阵；△m为初始模型m的修改向量，C为模型光滑矩阵；λ为光滑阻尼因子。

本发明具有以下有益效果：

(1)传统方法仅观测坑道走向的视电阻率数据，而本发明方法观测包括坑道走向在内且相互正交的三方向视电阻率数据，增强了电阻率超前探测方法对隐蔽地质异常体产状、规模和电阻率等参数的捕捉能力，丰富了地电信息；

(2)通过三方向视电阻率数据的联合反演，对地质体电阻率具有矢量叠加效果，可大幅提高对坑道掘进前方隐蔽地质异常体的空间定位精度；

(3)通过三方向视电阻率数据的联合反演，不同方向视电阻率数据之间能够相互约束，可有效降低如传统观测方法中坑道底面地质体不均匀性等因素的干扰，能更真实地反映隐蔽地质体的导电特性，从而提高对隐蔽地质体赋水性的判定精度，为坑道安全掘进提供可靠的水文地质参数。

附图说明

图1为本发明探测方法流程图；

图2为本发明观测方法立体示意图；

图3为本发明模拟地质参数倾角θ变化下获取的三向电阻率曲线图；

图4为本发明模拟地质参数方位角

变化下获取的三向电阻率曲线图；

图5为本发明模拟地质参数距离d变化下获取的三向电阻率曲线图；

图6为本发明模拟地质参数断距变化下获取的三向电阻率曲线图；

图7为本发明模拟地质参数断层富水性变化下获取的三向电阻率曲线图；

图8为本发明实施例中坑道超前电阻率水平剖面图；

图9为本发明实施例中坑道超前电阻率垂直剖面图。

其中：1、坑道掘进前方，2、坑道掘进工作面，3、坑道，4、供电电缆，5、电法仪，6、供电正极，7、供电点切换开关，8、坑道后方，9、接收电缆，10、接收点，11、三方向接收电极组，12、供电负极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明探测方法如图1，流程包括数据采集系统布置、电法测线布设、供电电极系布设、三方向测量电极组布设、数据采集、基于最小二乘法的三维电阻率反演等流程，可以通过反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像。图2为本发明观测方法立体示意图。

实施例：

以某矿1煤截水巷为本发明实施例，其1煤截水巷进入10108工作面后，基本沿煤层底板砂岩层位掘进，由于坑道距离下部第一层灰岩顶界面约10-20m，且灰岩层内含水目前具有不确定性，坑道掘进过程中，受地质构造影响，岩层起伏明显，若构造导通灰岩含水裂隙，将给坑道施工造成安全威胁。因此，为保障坑道安全掘进，需对坑道前方含水地质构造进行探测，现场采用本发明方法进行了超前探测。

(一)数值模拟：

因坑道掘进前方地质体的视电阻率受地质体方位、倾角、至掘进工作面垂直距离、规模及电阻率等多个因素的综合影响，故本发明利用MATLAB软件进行数值模拟，主要是分别从断层的倾角、方位、距离、断距和断层富水性等方面研究探讨它们在三向电阻率上的响应特征。模拟实验中，极距AM最小为1m，测量电极对P₁P₂＝P₁P₃＝P₁P₄＝2m，电流强度I＝1A，围岩电阻率为ρ₀＝100Ω·m。P₁P₂、P₁P₃和P₁P₄三个方向的视电阻率在以下分别简称为x方向、y方向和z方向电阻率。具体工作方式如下：

(1)当模拟倾角θ变化(10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°)下的三向视电阻率异常曲线时，设置其方位角

为60°，距离d为10m，板厚a为2m，板体电阻率ρ_a为10Ω·m，响应特征如图3所示；

(2)当模拟方位角

变化(0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°)下的三向视电阻率异常曲线时，设置其倾θ为60°，距离d为10m，板厚a为2m，板体电阻率ρ_a为10Ω·m，响应特征如图4所示；

(3)当模拟距离d变化(5m、10m、15m、20m、25m、30m)下的三向视电阻率异常曲线时，设置其倾角θ为60°，方位角

为60°，板厚a为2m，板体电阻率ρ_a为10Ω·m，响应特征如图5所示；

(4)当模拟断层断距变化(0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m)下的三向视电阻率异常曲线时，可以将板状体的厚度看作为断距，设置其倾角θ为60°，方位角

为60°，距离d为10m，板体电阻率ρ_a为10Ω·m，响应特征如图6所示；

(5)对于断层富水性强弱的评价，一般来说富水性越强，含水断层的电阻率相比围岩表现得越低，因此可以通过设定板状体电阻率的大小模拟断层富水性。当模拟板状电阻率大小变化(5Ω·m、10Ω·m、15Ω·m、20Ω·m、25Ω·m)下的三向视电阻率异常曲线时，设置其倾角θ为60°，方位角

为60°，距离d为10m，板厚a为2m，响应特征如图7所示。

分别分析对比图3、图4、图5、图6和图7各方向上视电阻率图，综上可知：

①倾角、方位角、距离、断距和断层电阻率等因素的变化都会对三向电阻率产生较大的影响，各方向上的电阻率特征规律有共性也有不同；极值在x方向的电阻率异常反映明显也较为可靠；y和z方向电阻率主要分别受方位角、倾角影响；

②三向电阻率在不同产状断层下会表现出一定的特征规律，当视电阻率响应图中y和z方向的电阻率相等，异常曲线形态一样时，可得出该断层为坑道正前方的直立断层；当y方向电阻率曲线形态与x方向近似相同，而z方向上的曲线有所变化，响应比y方向上的要灵敏，可得出该断层为坑道正前方倾斜断层；当z方向上各电阻率曲线形态与x方向近似相同，而y方向上的曲线有所变化，响应比z方向上的要灵敏时，可得出该断层为偏离坑道掘进方向的直立断层；当y和z方向的电阻率是主要受倾角和方位角共同影响的结果时，可得出该断层为偏离坑道掘进方向的倾斜断层。

(二)工程现场探测，具体工作方式如下：

(1)按照本发明要求，现场在坑道底面分别布置A₁、A₂、A₃和A₄共4个供电正极，相邻发射电极间距4m；并在坑道后方300m位置布置供电负极B；

(2)按照本发明要求，在供电正极A₄后方4m位置起布置32个测量点，每个测量点布置三方向电极组P₁、P₂、P₃和P₄，且P₁P₂＝P₁P₃＝P₁P₄＝2m；

(3)通过以上供电和测量电极布置，通过供电电缆和接收电缆将供电与测量电极与电法仪器连接，并实施三方向视电阻率观测；

(4)进一步联合三方向视电阻率数据进行坑道超前电阻率反演，提取坑道掘进前方水平和垂直电阻率剖面。

从图8和图9可见，坑道掘进前方48-65m范围岩层视电阻率较低，结合坑道已知地质资料，推测该低阻范围内存在隐伏断层，并具有相对较明显的含导水性。矿方依据探测结果实施了钻孔探放水工作，后经统计现场共放水约600m³；坑道掘进揭露进一步确定在坑道前方51-61m存在落差约为3m的断层，且与下部灰岩含水层位导通。

结合数值模拟与工程现场探测，可判断该断层为坑道正前方倾斜断层，掘进前方遇见断层的距离为坑道前方51-61m处，断层界面与点电源的距离约为3m。

实施案例效果表明，本发明方法对坑道超前水害探测具有较好的可靠性，能为坑道安全掘进提供技术保障。

应当明确，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种坑道三方向视电阻率超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在坑道侧面与底面交线上沿x轴负方向布置一条电法测线，测线起点为坑道掘进工作面、侧面和底面的交点，即空间直角坐标系原点；

(2)从电法测线起点向坑道后方即x轴负方向按间距d依次布置s个供电点和n个测量点，其中2≤s≤4，32≤n≤64，按顺序编号为A₁、A₂……A_s，m₁、m₂、m₃、……、m_n-1、m_n；

(3)在每个供电点位置布设供电正极C，在坑道后方一定距离布设供电负极B，供电正负极之间的距离CB≥2*(n+s-1)*d，将正、负电极通过供电电缆与电法仪器连接，形成完整供电回路；

(4)对每个测量点布置1套接收电极组，每套接收电极组由4个测量电极组成，依次编号为P₁、P₂、P₃和P₄，构成P₁P₂、P₁P₃和P₁P₄共3个测量电极对，其中测量电极对P₁P₂沿x轴负向布置且P₁布置于测量点位置；测量电极对P₁P₃沿y轴正向布置；测量电极对P₁P₄沿z轴正向布置；施工中应确保P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄相互正交且距离均为r，1m≤r≤2m，实际取值依据坑道截面大小而定；将所有测量电极通过接收电缆连接电法仪器，形成完整测量回路；

(5)实施三向视电阻率数据采集，具体数据采集顺序如下：

①针对测量点m₁，先在A₁供电点向大地供电并记录供电电流I，供电过程中同时分别记录测量电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的电位差ΔU_x、ΔU_y和ΔU_z；然后根据视电阻率计算公式ρ_s＝k·ΔU/I，其中k为装置系数，由供电点和测量点位置关系及测量电极距离r决定；计算测量点在x、y和z，即P₁P₂、P₁P₃和P₁P₄三个方向的视电阻率ρ_sx、ρ_sy和ρ_sz；按以上方式观测A₂至A_s供电点供电时的电流及m₁测量点在x、y和z三个方向上的电位差，并计算视电阻率值；以上过程完成了1个测量点所对应的全部供电点的三方向视电阻率数据；

②移动测量电极组至测量点m₂，按①中数据采集方式分步观测A₁至A_s供电时m₂测量点所对应的三方向视电阻率数据；以此类推，依次观测所有测量点的三方向视电阻率数据；

(6)将步骤(5)测量获得的三方向视电阻率数据进行合并，导入电阻率反演程序，获得坑道掘进前方地质体的三维电阻率图像；

(7)从步骤(6)反演获得的三维电阻率数据体中提取坑道掘进前方水平和垂直电阻率剖面，结合已知地质资料，进一步判定坑道掘进前方隐蔽灾害地质体的空间位置并判定其赋水性，为坑道安全掘进提供技术参数。

2.根据权利要求1所述的一种坑道三方向视电阻率超前探测方法，其特征在于，具体做法是，步骤(6)中电阻率反演时将探测区域三维网格化，计算每个网格内的电阻率，采用光滑约束的最小二乘反演算法，电阻率反演目标函数为：

(G^TG+λC^TC)Δm＝G^TΔd

式中，△d为观测数据d和正演理论计算值d₀之间的残差向量；G为系数矩阵；△m为初始模型m的修改向量，C为模型光滑矩阵；λ为光滑阻尼因子。

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