CN111856594B - 坑道三方向视频散率超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坑道三方向视频散率超前探测方法，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，先后在各供电点分别供入高频以及低频交流电，记录两种频率下电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的总场电位差，计算三方向视频散率；再依据Cole‑Cole模型进行数据反演得到坑道掘进前方地质体的三维频散率图像，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

坑道三方向视频散率超前探测方法

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频散率超前探测方法。

背景技术

随着我国煤层开采不断趋向深部，矿井生产中频繁遭遇隐伏的断层、陷落柱、溶洞、软弱结构面、裂隙带等地质异常体，轻则破坏采煤工作面的布置而直接影响煤层开采效率，重则导通灰岩含水层而发生淹井事故，特别是对于承压开采的矿井，易导致矿井水害事故的发生。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、介质不均匀等因素影响，其探测距离短、雷达波信噪比低等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，故实际探测效果不佳；虽然直流电阻率法对地质体赋水性灵敏度高且探测距离较长，但现阶段该方法仅能在坑道后方施工，所获得的物理信息相对较少，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。

基于现有超前探测方法的不足，本发明提出坑道三方向视频散率超前探测方法，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频散率超前探测方法，以解决现有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频散率超前探测方法，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电极C，在坑道后方一定距离布设供电电极B。一般，供电电极之间的距离CB≥2*(n+s-1)*d。将C、B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)；

(5)将测量电极与电法仪器通过接收电缆连接，实施三方向视频散率数据采集；具体数据采集顺序如下：

①针对测量点m₁，先在A₁供电点向大地供入低频交流电并记录供电电流

供电过程中同时记录测量电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的总场电位差

和

而后供入高频交流电并记录供电电流

供电过程中同时记录测量电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的总场电位差

和

然后根据公式

(式中

为低频总场电位差，

为高频总场电位差)计算测量点在x(即P₁P₂)、y(即P₁P₃)和z(即P₁P₄)三个方向的视频散率P_sx、P_sy和P_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，并计算视频散率；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频散率数据。

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频散率数据；以此类推，依次观测所有测量点的三方向视频散率数据。

(6)将步骤(5)测量获得的三方向视频散率数据依据Cole-Cole模型公式

进行反演，获得坑道掘进前方地质体的三维频散率图像。

本发明具有以下有益效果：

(1)传统直流电阻率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频散率数据，受坑道地形影响较小，增强了视频散率超前探测方法对隐蔽地质异常体产状、规模和频散率等参数的捕捉能力，丰富了地电信息；

(2)通过三方向视频散率数据的联合反演，对地质体频散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)通过三方向视频散率数据的联合反演，不同方向频散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激化特性，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为本发明坑道观测方法的立体示意图；

图3为本发明模拟地质参数倾角θ变化下获取的三向频散率曲线图；

图4为本发明模拟地质参数方位角

变化下获取的三向频散率曲线图；

图5为本发明模拟地质参数供电距离d变化下获取的三向频散率曲线图；

图6为本发明模拟地质参数断距变化下获取的三向频散率曲线图；

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频散率曲线图。

图中：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。

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。

本发明探测方法流程如图1，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频散率反演等流程，可以通过反演得到工作面前方地质体的三维频散率图像。图2为本发明观测方法立体示意图。

实施例：(数值模拟)

因坑道掘进前方地质体的视频散率受地质体方位、规模、至掘进工作面垂直距离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频散率上的响应特征。模拟实验中，极距AM最小为1m，最大为100m。测量电极对P₁P₂＝P₁P₃＝P₁P₄＝2m，供电频率高频设置为100Hz，对应低频为高频值的1/13，电流强度I＝1A，围岩的零频电阻率ρ₀＝100Ω·m，充电率m₁＝0.1，频率相关系数c₁＝0.25，时间常数τ₁＝0.1；断层的充电率m₂＝0.5，频率相关系数c₂＝0.25，时间常数τ₂＝1.0。P₁P₂、P₁P₃和P₁P₄三个方向的视频散率在以下分别简称为x方向、y方向和z方向频散率。具体工作方式如下：

(1)当模拟倾角θ变化(20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°)下的三向视频散率异常曲线时，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°)下的三向视频散率异常曲线时，设置其倾角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)下的三向视频散率异常曲线时，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)下的三向视频散率异常曲线时，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。当模拟板体电阻率大小变化(10Ω·m、15Ω·m、20Ω·m、25Ω·m)下的三向视频散率异常曲线时，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各方向上视频散率图，综上可知：

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；x方向的频散率变化较为平滑，对供电距离较为敏感，随着供电距离的增大，x方向的频散率变化逐渐平缓且极值逐渐减小，而y、z方向的频散率极值逐渐减小，同时x方向的频散率对断距及电阻率值也较为敏感，随着断距以及电阻率值的变化，极值大小也都发生变化；y方向频散率主要对供电距离以及方位角敏感，随着供电距离以及方位角的增加，频散率发生突变的位置也在改变；z方向频散率对上述参数均较敏感，与其他参数的频散率图所不同的是，随着供电距离的增加，频散率出现极值的位置在改变，断距的增加主要改变了频散率的极值大小，断距越大频散率极值也越大，断层的方位角、倾角以及电阻率主要对频散率的极值大小有影响，随着这些参数的增加，频散率的极值越来越小。

通过分析断层的参数变化对三个方向上的频散率的比较，可以看出各个参数的响应程度在三个方向上均有一定差别，因此证明三方向频散率这种方法具有优越性。利用这种方法进行超前探测是可行的。

Claims (1)

1.一种坑道三方向视频散率超前探测方法，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电极C，在坑道后方一定距离布设供电电极B，供电电极之间的距离CB≥2*(n+s-1)*d，将C、B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；

(5)将测量电极与电法仪器通过接收电缆连接，实施三方向视频散率数据采集；具体数据采集顺序如下：

①针对测量点m₁，先在A₁供电点向大地供入低频交流电并记录供电电流

供电过程中同时记录测量电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的总场电位差

和

而后供入高频交流电并记录供电电流

供电过程中同时记录测量电极对P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄之间的总场电位差

和

然后根据公式

其中

为低频总场电位差，

为高频总场电位差；计算测量点在x、y和z即P₁P₂、P₁P₃、P₁P₄三个方向的视频散率P_sx、P_sy和P_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，并计算视频散率；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频散率数据；

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频散率数据；以此类推，依次观测所有测量点的三方向视频散率数据；

(6)将步骤(5)测量获得的三方向视频散率数据依据Cole-Cole模型公式

进行反演，获得坑道掘进前方地质体的三维频散率图像。

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