CN111880233B - 一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置及方法 - Google Patents

一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置及方法，探测装置包括孔中多芯电缆和充气气囊；该方法包括：孔中多芯电缆推送入孔前处理；通过充气管道向充气气囊内充气，充气气囊膨胀挤压孔中电极，以使孔中电极能紧贴钻孔内壁，完成孔中多芯电缆在水平钻孔中的布设；对孔中电极供电并接收数据；进行数据归类与处理；提取两个钻孔对应的四条参考线上的电阻率数值对应作出四条曲线，比较相同的横向位置电阻率值，以异常幅度作为判断标准，得到异常体实际位置。本发明透视探测方法大大提高了巷道掘进轴线旁侧20m范围内的安全保障。

Description

一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置及方法
技术领域
本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置及方法。
背景技术
煤矿巷道/隧道掘进过程中，掘进迎头前方未知灾害的探查一直是一个较为棘手的工程难题。目前通用方法是在掌子面后方开展物探工作，现有方法最大的问题在于：施工探测都在掌子面后方，由于观测角度问题或仪器功率问题，激励信号很难覆盖迎头前方较大区域，仪器设备接收到的异常体信号十分微弱，几乎淹没在背景噪声中。
随着机械化采煤程度的提高，快速掘进和精准探测成为煤矿生产的迫切需求，迫切需要一种施工相对快捷、探测成果可靠的煤矿巷道/隧道超前探测方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置及方法，以解决现有技术的上述问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置，包括孔中多芯电缆和充气气囊；
所述孔中多芯电缆包括多芯电缆和孔中电极；所述多芯电缆上每间隔4-5m位置处有一根电缆内芯为抽出状态，且在每根电缆内芯的抽头处设有所述孔中电极，多芯电缆中的每根电缆内芯相应设置一个孔中电极得到所述孔中多芯电缆；所述孔中电极包括浇筑在电缆内芯的抽头处的扁柱状的铜电极和包裹在铜电极外的吸水树脂层；
所述充气气囊有多个，相邻充气气囊之间通过充气管道连通，充气气囊的数量与孔中电极数量一致，且充气气囊与孔中电极一一相对；对充气气囊充气后能将其对应的孔中电极挤压至紧贴钻孔的钻孔内壁。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述钻孔孔径为50mm-73mm；所述孔中电极为扁柱状结构，且其长轴为30mm、短轴为16mm、长度为15cm，所述吸水树脂层的厚度为2-3mm。
本发明还提供一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测方法，该方法采用所述的探测装置进行探测，包括以下步骤：
步骤一，孔中多芯电缆推送入孔前处理：将孔中电极放置于高浓度食盐水中浸泡3-5分钟，以使吸水树脂层填充足够电解质溶液；
步骤二，布设孔中多芯电缆和充气气囊：将两根孔中多芯电缆分别推送至两个呈角度的水平钻孔中的指定位置，且在两个钻孔中均布设通过充气管道相互连通的充气气囊，通过充气管道向充气气囊内充气，充气气囊膨胀挤压孔中电极，以使孔中电极能紧贴钻孔内壁；
步骤三，对孔中电极供电并接收数据：将两个钻孔分别编号为1#钻孔和2#钻孔；
步骤3.1，逐次对1#钻孔中的每个孔中电极供电使其作为供电电极，同时每次将剩余其他所有孔中电极作为接收电极接收电位差数据；直至1#钻孔中所有孔中电极均完成一次供电过程；此时，1#钻孔中所有接收电极接收的电位差数据为1#钻孔单孔测深数据；2#钻孔中所有接收电极接收的电位差数据为孔间透视数据；
步骤3.2，逐次对2#钻孔中的每个孔中电极供电使其作为供电电极，同时每次将剩余其他所有孔中电极作为接收电极接收电位差数据；直至2#钻孔中所有孔中电极均完成一次供电过程；此时，2#钻孔中的所有接收电极接收的电位差数据为2#钻孔单孔测深数据；1#钻孔中的所有接收电极接收的电位差数据为孔间透视数据；
步骤四，数据的归类与处理：对步骤四得到的1#钻孔单孔测深数据、2#钻孔单孔测深数据和孔间透视数据分别进行数据处理，分别得到1#钻孔径向范围内异常电阻率图，2#钻孔径向范围内异常电阻率图以及孔间透视异常图；
步骤五，确定异常体的实际位置：
步骤5.1，在步骤五得到的三张图的综合成果图上，确定异常体所处的钻进深度；
步骤5.2，在钻进深度上，预估异常体最低值所处的径向距离M；
步骤5.3，在1#钻孔两侧作两条与1#钻孔平行且与1#钻孔距离均为M的参考线：1#钻孔左侧的1线和右侧的2线；在2#钻孔两侧作两条与2#钻孔平行且与2#钻孔距离均为M的参考线：2#钻孔左侧的3线和右侧的4线；共形成四条参考线；
步骤5.4，提取四条参考线上的电阻率数值对应作出四条曲线，比较相同的横向位置电阻率值，以异常幅度作为判断标准，得到异常体实际位置。
具体的，两个水平钻孔呈60°夹角，钻孔深度100-120m。
具体的，1#钻孔和2#钻孔中，1#钻孔位于巷道轴线左侧，2#钻孔位于巷道轴线右侧。
具体的，所述步骤5.4中，提取四条参考线上的电阻率数值对应作出四条曲线，比较相同的横向位置电阻率值，以异常幅度作为判断标准，1线、2线、3线和4线对应的四条曲线的异常幅度分别为①，②，③和④：
(1)若①>②>③>④，则异常体在1#钻孔左边，与1#钻孔单孔测深位置吻合；
(2)若①<②<③<④，则异常体在2#钻孔右边，与2#钻孔单孔测深位置吻合；
(3)若①、②相当且大于③、④，则异常体在1#钻孔与2#钻孔之间且偏巷道轴线以左；透视成果可靠；
(4)若③、④相当且大于①、②，则异常体在1#钻孔与2#钻孔之间且偏巷道轴线以右；透视成果可靠。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明通过充气气囊推靠和吸水树脂层相结合的方式可以改善孔中电极接地条件，方法理论均有可行性，同时饱和式测量方式将探测数据分为了三部分，对于探测结果可以互相印证；将探测成果由传统一维解释提高到二维平面解释，同时大大提高了解释精度。
在目前的运用中，尚未出现水平钻孔超前透视探测的实例，本发明给出的模拟实例可以为实际探测施工效果直观的展示；采用本发明透视方法并进一步结合单孔测深结果，对巷道掘进轴线旁侧20m范围内的安全保障大大提高。
附图说明
图1为超前探测钻孔分布俯视图；
图2为孔中电极布置示意图；
图3为孔中电极结构示意图；
图4为孔中电极工作模式示意图；
图5为饱和式测量下三部分数据控制区域示意图；
图6为反演分析对比结果分析图。
附图标号含义：
1-孔中多芯电缆，2-充气气囊，3-钻孔，4-钻孔内壁；
11-多芯电缆，111-电缆内芯，12-孔中电极，121-铜电极，122-吸水树脂层；
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
地面垂直钻孔中直流电法探测技术已经得到了广泛运用，两孔透视方法探测成果精度更高，对异常体定位更加准确，利用煤矿井下水平超前钻孔开展透视研究是保障煤矿巷道安全掘进的有力手段。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置，如图2和图3所示，包括孔中多芯电缆1和充气气囊2。
孔中多芯电缆1包括多芯电缆11和孔中电极12；多芯电缆11上每间隔4-5m位置处有一根电缆内芯111为抽出状态，且在每根电缆内芯111的抽头处设有孔中电极12，多芯电缆11中的每根电缆内芯111相应设置一个孔中电极12得到孔中多芯电缆1；孔中电极12包括浇筑在电缆内芯111的抽头处的扁柱状的铜电极121和包裹在铜电极121外的吸水树脂层122；
充气气囊2有多个，相邻充气气囊2之间通过充气管道连通，充气气囊2的数量与孔中电极12数量一致，且充气气囊2与孔中电极12一一相对；对充气气囊2充气后能将其对应的孔中电极12挤压至紧贴钻孔3的钻孔内壁4。
在本实施例中，钻孔3孔径为50mm-73mm；对应的，孔中电极12为扁柱状结构，且其长轴为30mm、短轴为16mm、长度为15cm，吸水树脂层122的厚度为2-3mm；以保证孔中电极12与钻孔3具备最大的接触面积。
实施例2：
本实施例提供一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测方法，该探测方法采用实施例1中的探测装置进行探测，具体包括以下步骤：
步骤一，孔中多芯电缆推送入孔前处理：将孔中电极放置于高浓度食盐水中浸泡3-5分钟，以使吸水树脂层填充足够电解质溶液；
步骤二，布设孔中多芯电缆和充气气囊：将两根孔中多芯电缆分别推送至两个呈角度的水平钻孔中的指定位置，且在两个钻孔中均布设有通过充气管道相互连通的充气气囊，通过充气管道向充气气囊内充气，充气气囊膨胀挤压孔中电极，以使孔中电极能紧贴钻孔内壁；具体的，在本实施例中，图1是煤矿巷道/隧道超前探测钻孔分布的俯视图，两个钻孔一般呈60°夹角，钻孔深度100-120m，探明掘进方向前方80-100m，侧帮20m范围内的有害地质构造分布情况。图2是孔中电极布设情况示意图，电极间距4m-5m，保证探测解释成果具备一定的分辨能力。图3是孔中电极结构，主要由金属电极，外部吸水树脂材料，充气气囊构成，电缆人工推送完毕后，向气囊充气，孔中电极紧贴钻孔内壁。
步骤三，对孔中电极供电并接收数据：将两个钻孔分别编号为1#钻孔和2#钻孔；
步骤3.1，逐次对1#钻孔中的每个孔中电极供电使其作为供电电极，同时每次将剩余其他所有孔中电极作为接收电极接收电位差数据；直至1#钻孔中所有孔中电极均完成一次供电过程；此时，1#钻孔中所有接收电极接收的电位差数据为1#钻孔单孔测深数据；2#钻孔中所有接收电极接收的电位差数据为孔间透视数据；
步骤3.2，逐次对2#钻孔中的每个孔中电极供电使其作为供电电极，同时每次将剩余其他所有孔中电极作为接收电极接收电位差数据；直至2#钻孔中所有孔中电极均完成一次供电过程；此时，2#钻孔中的所有接收电极接收的电位差数据为2#钻孔单孔测深数据；1#钻孔中的所有接收电极接收的电位差数据为孔间透视数据；
图4是孔中电极工作模式示意图，当供电电极对地供电，其他所有孔中电极均作为接收电极测量电位差。
在本实施例中，1#钻孔和2#钻孔中，1#钻孔位于巷道轴线左侧，2#钻孔位于巷道轴线右侧(其中，巷道轴线左侧右侧均以巷道掘进方向为基准)；1#钻孔中的孔中电极从钻孔口至钻孔底依次编号为1号电极、2号电极、3号电极，…，n号电极；2#钻孔中的孔中电极从钻孔口至钻孔底依次编号为1’号电极、2’号电极、3’号电极，…，n’号电极。
更具体的，以钻孔深度120m，孔内孔中电极间距5m为例，每个钻孔中孔中电极共有25个，钻孔编号分别为1#、2#，具体步骤如下：
每个钻孔内孔中电极编号1-25号，孔口为1号电极，孔底为25号电极；
1#钻孔中1号电极供电，两个钻孔中的其他所有相邻孔中电极接收电位差，1#钻孔中2-25号电极接收的电位差数据为1#钻孔单孔测深数据集的一部分，2#钻孔中1-25号电极接收的电位差数据为透视数据集的一部分。
供电电极转移到1#钻孔2号电极，两个钻孔中的其他所有相邻电极接收电位差，1#钻孔中3-25号电极接收的电位差数据为1#钻孔单孔测深数据集的一部分，2#钻孔中1-25号电极接收的电位差数据为透视数据集的一部分。
逐次改变供电电极的位置，直至所有孔中电极均完成一次供电过程，完成饱和式测量。
步骤四，数据的归类与处理：对步骤四得到的1#钻孔单孔测深数据、2#钻孔单孔测深数据和孔间透视数据分别进行数据处理，分别得到1#钻孔径向30m范围(该径向探测范围是通过1#钻孔内第一个孔中电极和最后一个孔中电极之间距离的0.375倍大致推测得到)内电阻率图，2#钻孔径向30m范围(该径向探测范围是通过2#钻孔内第一个孔中电极和最后一个孔中电极之间距离的0.375倍大致推测得到)内电阻率图以及孔间透视异常图；图5是饱和式测量方式下三部分数据所控制的范围，单孔测深数据探测范围为钻孔径向30m范围，透视数据控制钻孔之间区域。
步骤五，确定异常体的实际位置，异常体在数值上与周围数据有较大偏差：单孔测深反演数据结果存在不确定性，无法准确判断真实异常体在钻孔钻进方向的左边或右边；本发明根据如下的原则确定异常体的实际位置：
图6是将三部分观测数据通过反演分析得到的反演结果对比图，通过三部分数据的综合对比，确定异常体的最终位置，提高解释成果可信度。图中1线、2线、3线、4线分别是与两个钻孔偏离距离相同的4条基准线，通过基准线上视电阻率值的比较判断异常体所在具体方位。具体的：
步骤5.1，在步骤五得到的三张电阻率图的综合成果图(三部分数据)上，确定异常体所处的钻进深度(即图中深色异常区域中心的深度)；
步骤5.2，在钻进深度上，预估异常体最低值所处的径向距离M(M一般为钻孔径向探测距离的1/2～1/3)；
步骤5.3，在1#钻孔两侧作两条与1#钻孔平行且与1#钻孔距离均为M的参考线：1#钻孔左侧的1线和右侧的2线，在2#钻孔两侧作两条与2#钻孔平行且与2#钻孔距离均为M的参考线：2#钻孔左侧的3线和右侧的4线；共形成四条参考线；(其中，钻孔左侧右侧均以巷道掘进方向为基准)；
步骤5.4，提取四条参考线上的电阻率数值对应作出四条曲线，比较相同的横向位置电阻率值，以异常幅度作为判断标准，1线、2线、3线和4线对应的四条曲线的异常幅度分别为①，②，③和④：
(1)若①>②>③>④，则异常体在1#钻孔左边，与1#钻孔单孔测深位置吻合；
(2)若①<②<③<④，则异常体在2#钻孔右边，与2#钻孔单孔测深位置吻合；
(3)若①、②相当且大于③、④，则异常在1#钻孔与2#钻孔之间且偏巷道轴线以左；透视成果可靠；
(4)若③、④相当且大于①、②，则异常在1#钻孔与2#钻孔之间且偏巷道轴线以右；透视成果可靠。

Claims (2)

1.一种煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测方法，其特征在于，该方法采用煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置进行探测，煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测装置包括孔中多芯电缆（1）和充气气囊（2）；
所述孔中多芯电缆（1）包括多芯电缆（11）和孔中电极（12）；所述多芯电缆（11）上每间隔4-5m位置处有一根电缆内芯（111）为抽出状态，且在每根电缆内芯（111）的抽头处设有所述孔中电极（12），多芯电缆（11）中的每根电缆内芯（111）相应设置一个孔中电极（12）得到所述孔中多芯电缆（1）；所述孔中电极（12）包括浇筑在电缆内芯（111）的抽头处的扁柱状的铜电极（121）和包裹在铜电极（121）外的吸水树脂层（122）；
所述充气气囊（2）有多个，相邻充气气囊（2）之间通过充气管道连通，充气气囊（2）的数量与孔中电极（12）数量一致，且充气气囊（2）与孔中电极（12）一一相对；对充气气囊（2）充气后能将其对应的孔中电极（12）挤压至紧贴钻孔（3）的钻孔内壁（4）；
所述钻孔（3）孔径为50mm-73mm；所述孔中电极（12）为扁柱状结构，且其长轴为30mm、短轴为16mm、长度为15cm，所述吸水树脂层（122）的厚度为2-3mm；
探测方法包括以下步骤：
步骤一，孔中多芯电缆推送入孔前处理：将孔中电极放置于高浓度食盐水中浸泡3-5分钟，以使吸水树脂层填充足够电解质溶液；
步骤二，布设孔中多芯电缆和充气气囊：将两根孔中多芯电缆分别推送至两个呈角度的水平钻孔中的指定位置，且在两个钻孔中均布设通过充气管道相互连通的充气气囊，通过充气管道向充气气囊内充气，充气气囊膨胀挤压孔中电极，以使孔中电极能紧贴钻孔内壁；
步骤三，对孔中电极供电并接收数据：将两个钻孔分别编号为1#钻孔和2#钻孔，1#钻孔位于巷道轴线左侧，2#钻孔位于巷道轴线右侧；
步骤3.1，逐次对1#钻孔中的每个孔中电极供电使其作为供电电极，同时每次将剩余其他所有孔中电极作为接收电极接收电位差数据；直至1#钻孔中所有孔中电极均完成一次供电过程；此时，1#钻孔中所有接收电极接收的电位差数据为1#钻孔单孔测深数据；2#钻孔中所有接收电极接收的电位差数据为孔间透视数据；
步骤3.2，逐次对2#钻孔中的每个孔中电极供电使其作为供电电极，同时每次将剩余其他所有孔中电极作为接收电极接收电位差数据；直至2#钻孔中所有孔中电极均完成一次供电过程；此时，2#钻孔中的所有接收电极接收的电位差数据为2#钻孔单孔测深数据；1#钻孔中的所有接收电极接收的电位差数据为孔间透视数据；
步骤四，数据的归类与处理：对步骤三得到的1#钻孔单孔测深数据、2#钻孔单孔测深数据和孔间透视数据分别进行数据处理，分别得到1#钻孔径向范围内异常电阻率图，2#钻孔径向范围内异常电阻率图以及孔间透视异常图；
步骤五，确定异常体的实际位置：
步骤5.1，在步骤四得到的三张图的综合成果图上，确定异常体所处的钻进深度；
步骤5.2，在钻进深度上，预估异常体最低值所处的径向距离M；
步骤5.3，在1#钻孔两侧作两条与1#钻孔平行且与1#钻孔距离均为M的参考线：1#钻孔左侧的1线和右侧的2线；在2#钻孔两侧作两条与2#钻孔平行且与2#钻孔距离均为M的参考线：2#钻孔左侧的3线和右侧的4线；共形成四条参考线；
步骤5.4，提取四条参考线上的电阻率数值对应作出四条曲线，比较相同的横向位置电阻率值，以异常幅度作为判断标准，得到异常体实际位置；
所述步骤5.4中，提取四条参考线上的电阻率数值对应作出四条曲线，比较相同的横向位置电阻率值，以异常幅度作为判断标准，1线、2线、3线和4线对应的四条曲线的异常幅度分别为①，②，③和④：
（1）若①>②>③>④，则异常体在1#钻孔左边，与1#钻孔单孔测深位置吻合；
（2）若①<②<③<④，则异常体在2#钻孔右边，与2#钻孔单孔测深位置吻合；
（3）若①、②相当且大于③、④，则异常体在1#钻孔与2#钻孔之间且偏巷道轴线以左；透视成果可靠；
（4）若③、④相当且大于①、②，则异常体在1#钻孔与2#钻孔之间且偏巷道轴线以右；透视成果可靠。
2.如权利要求1所述的煤矿井下水平钻孔中直流电超前透视探测方法，其特征在于，两个水平钻孔呈60°夹角，钻孔深度100-120m。
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