CN113703063A - 一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矿井直流电探测方法，属于矿井探测技术领域，具体涉及一种矿井方位聚焦直流电超前探测方法。该方法采用在迎头掌子面处布设发射电极和聚焦电极，在钻孔不同位置处布设方位接收电极的方式进行探测，发射电极自身具有电流聚焦特性，并且聚焦电极也可以实现电流聚焦，增加了供电电极的聚焦能力，方位测量信号接收电极增加了异常体方位识别能力，提高了探测成果的可靠性。

Description

一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法
技术领域
本发明涉及一种矿井直流电探测方法，属于矿井探测技术领域，具体涉及一种矿井方位聚焦直流电超前探测方法。
背景技术
井下直流电法超前探测，是煤矿及隧道中常用的超前探测方法。尤其是在探测掘进迎头前方是否含有导、含水地质异常体时，可发挥重要作用。按照观测方式不同，可分为定点源三极测深类和聚焦探测类。采用定点源单极测深类进行探测时，由于是将发射、接收电极均布置于巷道底板、顶板或侧帮，探测结果受巷道中的低阻物体影响严重，且由于未采用聚焦电极供电，流入迎头前方探测目标区域电流较少，探测成果信号波动较大，对异常信号提取造成干扰。此外，该种探测方法不具备确定异常体方位的能力。CN107589462.B公开的探测方法可以通过钻杆供电实现直流电超前探测的目的，但是该技术也未采用发射信号聚焦处理，同时也不具备异常体方位识别能力。聚焦探测类方法将屏蔽电极系统、供电电极和测量电极均布置在掌子面上，聚焦探测类方法的研究还处于起步阶段，目前提出的聚焦类超前探测方法，在掌子面轮廓上布置屏蔽电极系统可实现的探测距离不超过隧道洞径的1.5倍，探测距离过短是制约聚焦类探测方法的关键问题，此外该无法实现异常体方位识别。CN110989000.B公开了一种基于锚杆供钻孔供电的多电极聚焦TBM超前探测系统及方法，但该方法并无法实现异常体方位识别。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中所存在的探测中受巷道铁磁物质干扰大，流入掌子面迎头前方目标区域电流较少，探测方法无法对异常体方位进行确定的问题，提出了一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法。该方法采用在迎头掌子面处布设发射电极和聚焦电极，在钻孔不同位置处布设方位接收电极的方式进行探测，发射电极自身具有电流聚焦特性，并且聚焦电极也可以实现电流聚焦，增加了供电电极的聚焦能力，方位测量信号接收电极增加了异常体方位识别能力，提高了探测成果的可靠性。
为了解决上述问题，本发明的方案是：
步骤一：测量物理参数：巷道宽、巷道高、巷道长、钻孔直径、钻孔在掌子面的位置以及岩层电阻率，为之后无异常体时的响应计算做准备；
步骤二：以钻孔为圆心，以一定半径绘制的圆为发射电极轨迹，在该轨迹上等间隔布设发射电极(或发射线圈)，目的是使得发射电极自身具有聚焦特性；
步骤三：以钻孔为圆心，以一定半径(大于发射电极轨迹半径)绘制的圆为聚焦电极轨迹，在该轨迹上等间隔布设聚焦电极(或聚焦线圈)，目的是对发射电极信号二次聚焦；
步骤四：在距离掌子面500m以外设置一个电源负极，可视作无穷远电极；
步骤五：在发射线圈添加矿用条件允许范围内的激励电流，在聚焦线圈添加矿用条件允许范围内的聚焦电流；
步骤六：将接收电极置于钻孔测量处，同时接收多个方向电压(如：上、右、下、左四个方向)；
步骤七：以固定间隔将接收电极送至下一测量点处，重复步骤六，直至测量距离达到设计测量距离为止；
步骤八：参考步骤一中参数，建立无异常模型；
步骤九：在无异常模型中，将半径与步骤二相同的发射电极固定于掌子面；
步骤十：在无异常模型中，将半径与步骤三相同的聚焦电极固定于掌子面；
步骤十一：在无异常模型中，在距离掌子面500m以外设置一个电源负极，作为无穷远电极；
步骤十二：在无异常模型中，在发射线圈添加与步骤五相同的激励电流，在聚焦线圈添加与步骤五相同的聚焦电流；
步骤十三：将接收电极置于钻孔测量处，同时接收与步骤六相同的多个方向电压；
步骤十四：在无异常模型中，以步骤七相同测量间隔，将接收电极送至下一测量点处，重复步骤十三，直至测量距离与步骤七相同为止；
步骤十五：将无异常模型测量值与实际测量值做差，得到电压差图；
步骤十六：绘制测量距离——电压差图；
步骤十七：找出测量距离——电压差图中电压差异最大值对应测量距离，根据电流传播理论可认为该位置处为低阻异常区域。在该位置处比较不同方向电压差异大小，电压差异越大，则异常体越接近该方向。
本发明的有益效果是：本发明采用迎头掌子面布设供电电极和聚焦电极，巷道布设无穷远电极的方式，利用同性相斥的原理迫使电流聚焦流入迎头前方目标区域，减弱了常规直流超前探测中巷道铁磁性质物体干扰。同时在钻孔中布设方位测量电极，在确定异常体方位的同时可以获得比普通聚焦直流探测更深的探测距离，且具有识别异常体方位的能力。
附图说明
图1是本发明探测方法原理示意图；
图2是实施例中发射线圈、聚焦线圈与掌子面相对位置图；
图3是实施例中单个接收点处接收电极与钻孔相对位置示意图；
图4是实施例无异常模型与测量模型中电压值差值图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。图1是本发明探测方法原理示意图。
步骤一：测量物理参数为：巷道宽为5m；巷道高为5m；巷道长为1000m；钻孔位于掌子面中心与掌子面垂直，直径为0.2m；岩层电阻率为100Ω·m；
步骤二：将半径为0.5m的发射线圈固定于掌子面，发射线圈与掌子面良好接触，发射线圈和掌子面中心重合；
步骤三：将半径为2m的聚焦线圈固定于掌子面，聚焦线圈与掌子面良好接触，聚焦线圈和掌子面中心重合，图2为实施例中的发射线圈、聚焦线圈与掌子面相对位置图；
步骤四：在距离掌子面500m以外设置一个电源负极，作为无穷远电极；
步骤五：在发射线圈添加0.1A激励电流，在聚焦线圈添加0.1A聚焦电流；
骤六：将接收电极置于钻孔测量处，同时接收四个方向电压(上、右、下、左)，图3为单个接收点处接收电极与钻孔相对位置示意图；根据叠加原理可知，此时接收电压与电流路径电阻率存在如下式所示关系：
Figure BDA0003249709920000051
其中i为接收电极布设方位(上、右、下、左)，I为等效发射电流，L为等效传播路径，ρi为不同方位路径介质的等效电阻率。
步骤七：以4m间隔将接收电极送至下一测量点处，重复步骤六，直至测量距离达到100m为止；表1为记录的测量数据。
表1各测量点处记录的电压值
Figure BDA0003249709920000052
Figure BDA0003249709920000061
步骤八：建立无异常模型：巷道宽为5m；巷道高为5m；巷道长为1000m；钻孔位于掌子面中心与掌子面垂直，直径为0.2m；岩层电阻率为100Ω·m；
步骤九：在无异常模型中，将半径为0.5m的发射线圈固定于掌子面，使得发射线圈和掌子面中心重合；
步骤十：在无异常模型中，将半径为2m的聚焦线圈固定于掌子面，使得聚焦线圈和掌子面中心重合；
步骤十一：在无异常模型中，在距离掌子面500m以外设置一个电源负极，作为无穷远电极；
步骤十二：在无异常模型中，在发射线圈添加0.1A激励电流，在聚焦线圈添加0.1A聚焦电流；
步骤十三：将接收电极置于钻孔测量处，同时接收四个方向电压(上、右、下、左)；
步骤十四：在无异常模型中，以4m为测量间隔，将接收电极送至下一测量点处，重复步骤十三，直至测量距离达到100m为止；表2为记录的测量数据。
表2无异常模型中各测量点处记录的电压值
Figure BDA0003249709920000071
Figure BDA0003249709920000081
步骤十五：将表2值与表1值做差，得到电压差图，表3为电压差图；
表3无异常模型与测量中电压值差值
Figure BDA0003249709920000082
Figure BDA0003249709920000091
步骤十六：将表3中数值，绘制成图4；
步骤十七：找出图4中电压差异最大值对应测量距离为76m，则认为钻孔深度76m处有一处低阻异常区域。在76m处电压差异为:U2上-U上>U2左-U左>U2右-U右>U2下-U下，认为异常体距离钻孔上方最近，距离钻孔左方次之，距离钻孔右方再次之，距离钻孔下方相对最远。综合得出：低阻异常体位于钻孔深度76m处，且位于钻孔左上方。
本实施例采用迎头掌子面布设线圈发射电极和线圈聚焦电极，在距离迎头500m距离得巷道布设无穷远电极，利用同性相斥的原理迫使电流聚焦，流入迎头前方目标区域，减弱了常规直流超前探测中巷道铁磁性质物体干扰。同时在钻孔中以间隔为4m布设测量点，采集测量电压。将理论数值计算解与采集测量差值绘图，从图中可以直观反映出76m处电压差最大，依照电路知识可知电压差最大的地方即为低阻异常体分布位置。此外，在76m处有U2上-U上>U2左-U左>U2右-U右>U2下-U下，认为异常体距离钻孔上方最近，距离钻孔左方次之，距离钻孔右方再次之，距离钻孔下方相对最远，即异常体在钻孔上方方位。该方法还可以确定异常体相对钻孔的方位，且探测距离也较普通聚焦直流超前探测深度更深。

Claims (6)

1.一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法，其特征在于，包括：
在与钻孔延伸方向相同的方向上，在以钻孔为圆心，以第一半径为圆周的圆形截面上布置发射装置；
在与钻孔延伸方向相同的方向上，在以钻孔为圆心，以第二半径为圆周的圆形截面上布置聚焦装置；
在发射装置和接收装置上分别施加激励电流和聚焦电流，在钻孔处测量多个方向上的第二电压；
将所述第二电压分别与在无异常模型中施加相同激励电流和聚焦电流下测量得到同方向上的第一电压进行比较以得到不同方向上的电压差图；
基于所述不同方向上的电压差图判断异常体方位。
2.根据权利要求1所述的一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法，其特征在于，所述发射装置为发射线圈或者为在以第一半径为圆周的圆形截面上等间距布置的发射电极。
3.根据权利要求1所述的一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法，其特征在于，所述置聚焦装置为聚焦线圈或者为在以第二半径为圆周的圆形截面上等间距布置的聚焦电极。
4.根据权利要求1所述的一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法，其特征在于，所述钻孔位于掌子面中心与掌子面垂直。
5.根据权利要求4所述的一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法，其特征在于，在距离掌子面500m以外设置一个电源负极作为无穷远电极。
6.根据权利要求4所述的一种矿井方位聚焦直流电法超前探测方法，其特征在于，在钻孔处测量上下左右方向上的电压，并且根据上下左右方向上的电压差图判断所述异常体的方位。
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