CN113885084A - 一种井下直流单极动源超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井下直流单极动源超前探测方法，将接收电极M或接收电极M和N固定布置在掘进面底边中垂线上，发射电极A从A₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，形成依次位于A₁，A₂，...，A_i...，A_n位置点的单极移动源；发射电极A在每个位置点发射电流一次，接收电极M或接收电极M和N测量电压一次。本发明给出的超前探测最大探测距离估算公式，建立了电极布设、发射电流、岩层电阻率以及噪声电平之间的关系，为井下直流单极动源超前探测施工参数的选择提供了定量依据；提高了井下直流电法超前探测的准确性。

Description

一种井下直流单极动源超前探测方法

技术领域

本发明属于电和电磁法勘探领域，涉及一种井下直流超前探测技术，具体涉及一种 井下直流单极动源超前探测方法。

背景技术

井下直流电法超前探测，是我国煤矿井下探测掘进工作面前方异常体的主要方法之 一。现行的直流超前探测方法，通常采用称为三极法的单极发射—偶极接收装置，将发射电极固定布置在掘进工作面上或附近、接收电极向远离掘进面方向移动。此后，又有 了建立在三极法基础上改进的多单极—偶极组合法。由于直流电场近距作用的性质，在 发射源激励下异常体的响应，总是通过场从异常体周围向外传递，强度随着离开异常体 距离的增大而减弱。将发射电极固定在掘进面附近、接收电极向掘进工作面相反方向移 动的方法，获得的异常不仅比较微弱，而且掘进面后方的异常体还会对超前探测形成干 扰，造成误判。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种井下直流单极动源超前探测方法，以将接收电极固定布置在掘进工作面上尽可能地靠近前方异常体，通过发射电极向 掘进工作面方向移动实现超前探测。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种井下直流单极动源超前探测方法，该方法将接收电极M或接收电极M和N固 定布置在掘进面上且位于掘进面底边的中垂线上，发射电极A从A₁处沿巷道底板中线向 掘进面方向移动，形成依次位于A₁，A₂，...，A_i...，A_n位置点的单极移动源；发射电 极A在每个位置点发射电流一次，接收电极M或接收电极M和N对应测量电压一次， 进行单极动源超前探测；

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，A₁O是A₁到掘进面底边中点O的距离，I_Amax为最大发射电流，

为接 收电极M观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率；

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，A₁O是A₁到掘进工作面底边中点O的距离，O″O是接收电极距MN中点O″ 到O点的距离，I_Amax为最大发射电流，

为接收电极M和N观测到的噪声电平，ρ为 掘进面前方岩层的电阻率。

本发明还包括如下技术特征：

可选的，所述A₁，A₂，...，A_i...，A_n位置点之间的间距越小，超前探测的分辨率 越高；发射电极A从A₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，电流 场透入掘进工作面前方的深度由浅到深。

可选的，当单极接收电极M固定布置在掘进面时，与A_i对应的测深点D_i和视电阻 率

的公式是：

D_i≈A₁O-A_iO (i＝1,2,...,n) (2a)

上式中的A₁O由式(1a)确定，A_iO是A_i到O的距离；

上式中的

是A_i到M的距离，其中A_iO是A_i到O的距离， MO是M到O的距离，

是A_i处的发射电流，

是与

对应的接收电压；

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，与A_i对应的测深点D_i和视电阻率

的公式是：

D_i≈A₁O-A_iO (i＝1,2,...,n) (2c)

其中的A₁O由式(1b)确定，A_iO是A_i到O的距离；

式中的

是A_i到M的距离、

是A_i到N 的距离

其中A_iO是A_i到O的距离，MO是M到O的距离，NO 是N到O的距离，

是A_i的发射电流，

是与

对应的接收电压。

可选的，探测结束后，将实测数据中的误差记录作为异常解释的判别标准；

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，满足下式(3a)则可将实测数据解释为 异常：

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，满足下式(3b)则可将实测数据解释为异常：

式中，Mean±S.D.表示平均数±标准差。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明根据直流电场近距作用的性质，将接收电极固定布置在掘进工作面上，最大限度地接近掘进面前方异常体在发射机激励下的响应信号；发射电极向掘进面方向移动、电流场透入掘进面前方的深度由浅到深的观测方式符合电测深法的常规，可避免 探测盲区，为发现浅部异常后人员紧急撤离进而确保施工人员安全争取到时间，并且信 噪比随探测距离的增大而增大。

(2)本发明给出的最大探测距离估算公式，建立了电极布置的几何空间、发射电流、岩层电阻率以及环境噪声电平等各项要素之间的关系，为井下直流超前探测施工参 数的确定提供了定量的依据。

(3)本发明给出的与发射电极每移动一次所对应的测深点和视电阻率公式，是针对本发明设计的算法，具有专用性；利用实测数据中的误差记录作为异常响应的判别标准，为数据解释提供了可靠性的保障。

(4)本发明的单极发射，不存在轴向偶极发射的探测距离损失，信号强度较赤道向偶极发射的大，比单极发射异常自显式的探测距离远。本装置的单极或偶极接收，可 以根据不同工况、不同的技术问题选用。

附图说明

图1为本发明施工布置示意图，其中1a是单极接收、1b是偶极接收。

图2为本发明超前探测测深点示意图，其中2a是单极接收、2b是偶极接收。

图3为巷道与异常体在单极源激励下的等电位简图，其中3a是掘进面前方为低阻体，3b是掘进面前方为高阻体，图中曲线是等电位线。

图4为计算结果图。

图中：1.掘进面；2.巷道；3.异常体；4.大地；5.低阻体；6.高阻体。

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

为了进一步提高井下直流超前探测的准确性，本发明的单极动源超前探测方法，有 单极发射—单极接收和单极发射—偶极接收两种形式：接收电极或固定在掘进工作面上，发射电极从距离掘进面处沿巷道底板中线、以分辨率要求的间隔，向掘进面方向移 动形成一系列的动源。本发明给出了单极动源两种接收方式最大探测距离的估算公式， 与对应的各测深点以及视电阻率计算公式，当施工条件受限时电极布设的变通方法，最 大探测距离估算公式中噪声电平的获取方法，探测开始前和过程中噪声电平的测定策 略，探测结束后利用实测数据中误差记录判别异常的公式等。。

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：

本实施例提供一种井下直流单极动源超前探测方法，分别如图1a和图1b所示，该方法将接收电极M或接收电极M和N固定布置在掘进面上，且接收电极均位于掘进面 底边的中垂线上，尽可能地接近掘进面前方地质异常体、避免巷道顶底板、侧帮附近异 常体的影响；发射电极A从A₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移 动，信噪比随探测距离的增加而增加，形成依次位于A₁，A₂，...，A_i...，A_n位置点的 单极移动源；发射电极A在每个位置点发射电流一次，接收电极M或MN对应测量电压 一次，进行单极动源超前探测；当忽略巷道的影响时，发射电极初始位置与超前探测最 大探测距离位置相对掘进面对称，从而发射电极初始位置与掘进面底边中点O间的距离 为最大探测距离；

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，A₁O是A₁到掘进面底边中点O的距离，I_Amax为最大发射电流，

为接 收电极M观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率；

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，A₁O是A₁到掘进工作面底边中点O的距离，O″O是接收电极距MN中点O″ 到O点的距离，I_Amax为最大发射电流，

为接收电极MN观测到的噪声电平，ρ为掘 进面前方岩层的电阻率。

A₁，A₂，...，A_i...，A_n位置点之间的间距越小，超前探测的分辨率越高；发射电 极A从A₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，电流场透入掘进工 作面前方的深度由浅到深。

具体的，探测开始前，当发射机没有发送电流时，通过接收机空采测定噪声电平

或

代入公式(1a)和(1b)中估算最大探测距离。

在探测过程中，在每一个发射电极A_i位置上，通过发射机未发送和发送电流时接收 机的空采和实采，测定噪声电平

或

和接收电压

或

以便根据信噪比决定是否进行重复观测。

由于发射电极向掘进面移动过程中，发—收距减小，信噪比随探测距离的增加而增 加。故当井下作业时间有限时，此步骤可略去。

由公式(2)计算发射电极A_i所对应的测深点和视电阻率，判断掘进面前方异常体是低阻体(图3a)还是高阻体(图3b)。

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，与A_i对应的测深点D_i和视电阻率

的公式是：

D_i≈A₁O-A_iO (i＝1,2,...,n) (2a)

上式中的A₁O由式(1a)确定，A_iO是A_i到O的距离；

上式中的

是A_i到M的距离，其中A_iO是A_i到O的距离， MO是M到O的距离，

是A_i处的发射电流，

是与

对应的接收电压。

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，与A_i对应的测深点D_i和视电阻率

的公式是：

D_i≈A₁O-A_iO (i＝1,2,...,n) (2c)

其中的A₁O由式(1b)确定，A_iO是A_i到O的距离；

式中的

是A_i到M的距离、

是A_i到N 的距离

其中A_iO是A_i到O的距离，MO是M到O的距离，NO 是N到O的距离，

是A_i的发射电流，

是与

对应的接收电压。

如果受到施工条件限制，发射电极A还可布置在巷道底板的其他位置或巷道的顶板、侧帮上，向掘进面方向移动形成一系列的动源A₁，A₂，...，A_i...，A_n，公式(1a)、 (1b)仍可用来估算最大探测距离，公式(2a)、(2b)、(2c)和(2d)仍可用来计算发 射电极每移动一次所对应的测深点和视电阻率。

如果受到施工条件限制，接收电极M和接收电极M和N还可固定布置在靠近掘进 面的巷道顶板、底板或侧帮上；公式(1a)、(1b)仍可用来估算最大探测距离，公式(2a)、 (2b)、(2c)和(2d)仍可用来计算发射电极每移动一次所对应的测深点和视电阻率。

探测结束后，将实测数据中的误差记录作为异常解释的判别标准；

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，满足下式(3a)则可将实测数据解释为 异常：

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，满足下式(3b)则将实测数据解释为异常：

式中，Mean±S.D.表示平均数±标准差，为观测仪器(接收机)实测数据的误差记录，是仪器在一个测点上多次观测后的平均值。

验证实验：

假定在巷道底板下埋深20m处有1个半径5m的高阻体，其电阻率为1000Ω.m， 围岩的电阻率为100Ω.m，采用单极发射、偶极MN接收装置，利用公式(2d)进行计 算。图4是相应的计算结果，图4中横坐标为距离，单位为m，纵坐标为视电阻率，单 位为Ω.m。由该图可见，经公式计算出来的异常最大值的位置与实际模型位置对应，说 明公式是有效的、可用的。

Claims (4)

1.一种井下直流单极动源超前探测方法，其特征在于，该方法将接收电极M或接收电极M和N固定布置在掘进面上且位于掘进面底边的中垂线上，发射电极A从A₁处沿巷道底板中线向掘进面方向移动，形成依次位于A₁，A₂，…，A_i…，A_n位置点的单极移动源；发射电极A在每个位置点发射电流一次，接收电极M或接收电极M和N对应测量电压一次，进行单极动源超前探测；

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，A₁O是A₁到掘进面底边中点O的距离，I_Amax为最大发射电流，

为接收电极M观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率；

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，A ₁O是A₁到掘进工作面底边中点O的距离，O″O是接收电极距MN中点O″到O点的距离，I_Amax为最大发射电流，

为接收电极M和N观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率。

2.如权利要求1所述的井下直流单极动源超前探测方法，其特征在于，所述A₁，A₂，…，A_i…，A_n位置点之间的间距越小，超前探测的分辨率越高；发射电极A从A₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，电流场透入掘进工作面前方的深度由浅到深。

3.如权利要求1所述的井下直流单极动源超前探测方法，其特征在于，当单极接收电极M固定布置在掘进面时，与A_i对应的测深点D_i和视电阻率ρ_i ^a的公式是：

D_i≈A₁O-A_iO (i＝1,2,...,n) (2a)

上式中的A₁O由式(1a)确定，A_iO是A_i到O的距离；

上式中的

是A_i到M的距离，其中A_iO是A_i到O的距离，MO是M到O的距离，

是A _i处的发射电流，

是与

对应的接收电压；

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，与A_i对应的测深点D_i和视电阻率

的公式是：

D_i≈A₁O-A_iO (i＝1,2,...,n) (2c)

其中的A₁O由式(1b)确定，A_iO是A_i到O的距离；

式中的

是A_i到M的距离、

是A_i到N的距离

其中A_iO是A_i到O的距离，MO是M到O的距离，NO是N到O的距离，

是A_i的发射电流，

是与

对应的接收电压。

4.如权利要求1所述的井下直流单极动源超前探测方法，其特征在于，探测结束后，将实测数据中的误差记录作为异常解释的判别标准；

当单极接收电极M固定布置在掘进面时，满足下式(3a)则可将实测数据解释为异常：

当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，满足下式(3b)则可将实测数据解释为异常：

式中，Mean±S.D.表示平均数±标准差。

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