CN113885086A - 一种井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法 - Google Patents

一种井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，该方法将接收电极M或将接收电极M和N固定布置在掘进面上，发射电极A和B布置在巷道底板且发射电极AB连线的垂直平分线为巷道底板中线，发射电极A和B从A1B1处向掘进面方向移动，形成依次位于A1B1，A2B2，...，AiBi...，AnBn位置点的偶极移动源；发射电极A和B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，进行偶极动源超前探测。本发明提高了井下直流超前探测的准确性，是一种利用稳定电流场对称性自显异常的快速探测方法。

Description

一种井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法
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 井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法。
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赤道向偶极动源异常自 显式超前探测方法，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。该方法以电极与巷道间的几何对称关系，形成对称的电流场。在探测过程中，当接收电极测量到超过噪声电平的信号时， 便可将掘进面前方的异常体自动地显示出来。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，该方法将接收电极M或将接收电极M和N固定布置在掘进面上且接收电极位于掘进面底边的垂直平分线上，发 射电极A和B布置在巷道底板且发射电极A和B连线的垂直平分线为巷道底板中线，发 射电极A和B从A1和B1位置处向掘进面方向移动，形成依次位于A1和B1位置点，A2和 B2位置点，...，Ai和Bi位置点...，An和Bn位置点的偶极移动源；发射电极A和B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，进行偶 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：
Figure BDA0003198020030000021
上式中，O′O是发射电极距AB中点O′到掘进工作面底边中点O的距离，IABmax为 最大发射电流，
Figure BDA0003198020030000022
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；
当偶极将接收电极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：
Figure BDA0003198020030000023
上式中，O′1O是发射电极距AB中点O′1到掘进面底边中点O的距离，O″O是接收电 极距MN中点O″到O点的距离，IABmax为最大发射电流，
Figure BDA0003198020030000024
为接收电极距MN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和B1位置点，A2和B2位置点，...，Ai和Bi位置点...，An和Bn位置点之间的间隔越小，探测的分辨率越高；发射电极A和B从A1和B1位置点处开始， 发射电极距AB中点O′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，与发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的测深点Di和视电阻率
Figure BDA0003198020030000025
的公式是：
Di≈O′1O-O′iO，(i＝1,2,...,n) (2a)
上式中的O′1O由式(1a)确定，O′iO是发射电极距AB中点O′i到O的距离；
Figure BDA0003198020030000026
上式中的
Figure BDA0003198020030000031
是Ai到M的距离、
Figure BDA0003198020030000032
是Bi到M的距离，其中MO是M到O的距离，
Figure BDA0003198020030000033
是 发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的发射电流，
Figure BDA0003198020030000034
是与
Figure BDA0003198020030000035
对应的观测电压；
当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，与发射电极A和B位于Ai和Bi位置 点对应的测深点Di和视电阻率
Figure BDA0003198020030000036
的公式是：
Di≈O′1O-O′iO，(i＝1,2,...,n) (2c)
其中的O′1O由式(1b)确定，O′iO是发射电极距AB中点O′i到O的距离；
Figure BDA0003198020030000037
式中的
Figure BDA0003198020030000038
是Ai到M的距离、
Figure BDA0003198020030000039
是Bi到M的距离、
Figure BDA00031980200300000310
是 Ai到N的距离、
Figure BDA00031980200300000311
是Bi到N的距离，其中MO是M到O的 距离，NO是N到O的距离，
Figure BDA00031980200300000312
是发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的发射电流，
Figure BDA00031980200300000313
是与
Figure BDA00031980200300000314
对应的观测电压。
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)则将实测数据解释为异常：
Figure BDA00031980200300000315
当接收电极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：
Figure BDA0003198020030000041
式中，Mean±S.D.为平均数±标准差，AiM、BiM、AiN和BiN采用公式(2)中 的定义。
可选的，当掘进面前方最大探测距离范围内无异常体时，由于电极布置对称性导致 电流场的对称性，接收电极M或接收电极M和N观测到的是噪声电平；当掘进面前方 最大探测距离范围内存在异常体时，电流场失去对称性，当接收电极观测到3～5倍噪声 电平的电压信号，即可判定掘进面前方存在异常体。
可选的，当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体，但电流场尚未接触到该异 常体，接收电极M或接收电极M和N观测到的是噪声电平；随着发射电极A和B向掘 进面方向移动，电流场与异常体接触并被扰动，当扰动传递到掘进面上且接收电极观测 到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定异常体的存在。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(1)根据直流电场近距作用的原理，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源激励下的响应信号；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，信噪比随探测距离的增大而增 大。
(2)电极布置的几何对称关系，使得只有当掘进面前方存在异常体时，接收电极才会观测到超出噪声的信号。根据信号大于3～5倍噪声电平的标准，可以在施工现场快 速判断出前方异常，提高了超前探测的实时性。
(3)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，为井下直流赤道向偶极动源异常自 显式超前探测施工参数的确定提供了定量依据。
(4)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计算公式，是针对本发明设计的算法，具有专门性；根据实测数据误差记录作为异常响应的判别标准，为 数据解释的可靠性提供了更多的保证。
(5)本发明的赤道向偶极装置发射，可在极短的巷道内进行施工，所需发射设备轻便，并且没有轴向偶极发射那样的自身探测距离损失；在接收装置方面，有单极和偶 极两种接收方式，分别固定布置在掘进工作面的垂直平分线上，不仅能够根据电流场的 对称性变化在施工现场快速判断出掘进面前方是否存在地质异常体，及时为井下掘进施 工提供可靠资料；而且能适应不同的噪声电平，可以根据不同工况选用。
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为实验结果图。
图中：1–掘进面；2–巷道；3–异常体；4–大地。
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，本发明的赤道向偶极动源异常自显式 超前探测方法，接收电极M或接收电极M和N固定布置在掘进面的垂直平分线上，发 射电极A和B布置在巷道底板中线的垂直平分线上，从距离掘进面A1B1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AiBi。当掘进面前方超 前探测距离内不存在异常体时，电极M或MN接收到的是噪声电平
Figure BDA0003198020030000051
或
Figure BDA0003198020030000052
当掘进 面前方有异常体存在时，电流场会失去原有的对称性，异常体响应信号将被加载到接收 电极M或接收电极M和N上，由此可在施工现场快速判断出掘进面前方的异常体。本发 明给出了赤道向偶极动源两种接收方式的最大探测距离估算公式，与AiBi对应的各测深 点以及视电阻率计算公式，最大探测距离估算公式中噪声电平的获取方法，探测过程中 信噪比的测定方法，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赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，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 位于掘进面底边的垂直平分线上，尽可能地接近掘进工作面前方地质异常体、避免巷道 顶底板、侧帮附近异常体的影响；发射电极A和B布置在巷道底板且发射电极A和B连 线的垂直平分线为巷道底板中线，发射电极A和B从A1B1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和 B1位置点，A2和B2位置点，...，Ai和Bi位置点...，An和Bn位置点的偶极移动源；发 射电极A和B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，进行偶极动源超前探测；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：
Figure BDA0003198020030000061
上式中，O′O是发射电极距AB中点O′到掘进工作面底边中点O的距离，IABmax为 最大发射电流，
Figure BDA0003198020030000062
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MN固定布置在掘进面时，超前探测最大探测距离估算公式为：
Figure BDA0003198020030000063
上式中，O′1O是发射电极距AB中点O′1到掘进面底边中点O的距离，O″O是接收电 极MN中点O″到O点的距离，IABmax为最大发射电流，
Figure BDA0003198020030000064
为将接收电极M和N观测到 的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率。
A1和B1位置点，A2和B2位置点，...，Ai和Bi位置点...，An和Bn位置点之间的间 隔越小，探测的分辨率越高；发射电极A和B从A1和B1位置点处开始，发射电极距AB 中点O′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
Figure BDA0003198020030000065
或
Figure BDA0003198020030000066
代入公式(1a)和(1b)中估算最大探测距离。
在上述探测过程中，对于每一个发射电极位于AiBi位置，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
Figure BDA0003198020030000071
或
Figure BDA0003198020030000072
和接收电压
Figure BDA0003198020030000073
或
Figure BDA0003198020030000074
根据 信噪比决定是否进行重复观测、对掘进面前方是否存在异常体在现场做出初步判断。当 井下作业时间允许时，不要省略此步骤。
由公式(2)计算发射电极位于Ai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还是高阻体。
当单极接收电极M固定布置在掘进面时，与AiBi对应的测深点Di和视电阻率
Figure BDA0003198020030000075
的公式是：
Di≈O′1O-O′iO，(i＝1,2,...,n) (2a)
上式中的O′1O由式(1a)确定，O′iO是发射电极距AB中点O′i到O的距离；
Figure BDA0003198020030000076
上式中的
Figure BDA0003198020030000077
是Ai到M的距离、
Figure BDA0003198020030000078
是Bi到M的距离，其中MO是M到O的距离，
Figure BDA0003198020030000079
是AiBi的发射电流，
Figure BDA00031980200300000710
是与
Figure BDA00031980200300000711
对应的观测电压；
当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，与AiBi对应的测深点Di和视电阻率
Figure BDA00031980200300000712
的公式是：
Di≈O′1O-O′iO，(i＝1,2,...,n) (2c)
其中的O′1O由式(1b)确定，O′iO是发射电极距AB中点O′i到O的距离；
Figure BDA00031980200300000713
式中的
Figure BDA00031980200300000714
是Ai到M的距离、
Figure BDA0003198020030000081
是Bi到M的距离、
Figure BDA0003198020030000082
是 Ai到N的距离、
Figure BDA0003198020030000083
是Bi到N的距离，其中MO是M到O的 距离，NO是N到O的距离，
Figure BDA0003198020030000084
是AiBi的发射电流，
Figure BDA0003198020030000085
是与
Figure BDA0003198020030000086
对应的观测电压。
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)则将实测数据解释为异常：
Figure BDA0003198020030000087
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：
Figure BDA0003198020030000088
式中，Mean±S.D.为平均数±标准差，AiM、BiM、AiN和BiN采用公式(2)中 的定义。
当掘进面前方最大探测距离范围内无异常体时，由于电极布置对称性导致电流场的 对称性，接收电极M或接收电极M和N观测到的是噪声电平；当掘进面前方最大探测 距离范围内存在异常体时，电流场失去对称性，当接收电极观测到3～5倍噪声电平的电 压信号，即可判定掘进面前方存在异常体。
当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体，但电流场尚未接触到该异常体，接 收电极M或接收电极M和N观测到的是噪声电平；随着发射电极AiBi向掘进面方向移 动，电流场与异常体接触并被扰动，当扰动传递到掘进面上且接收电极观测到3～5倍噪 声电平的电压信号，即可判定异常体的存在。
实验验证：
为了验证公式的正确性、有效性，利用公式进行了数值模拟计算。假定在巷道底板下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， 采用赤道向偶极发射、偶极MN接收装置，利用公式(2d)进行计算。图3是相应的计 算结果，图3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 (6)

1.一种井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，该方法将接收电极M或将接收电极M和N固定布置在掘进面上且接收电极位于掘进面底边的垂直平分线上，发射电极A和B布置在巷道底板且发射电极A和B连线的垂直平分线为巷道底板中线，发射电极A和B从A1和B1位置处向掘进面方向移动，形成依次位于A1和B1位置点，A2和B2位置点，...，Ai和Bi位置点...，An和Bn位置点的偶极移动源；发射电极A和B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，进行偶极动源超前探测；
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：
Figure FDA0003198020020000011
上式中，O′O是发射电极距AB中点O′到掘进工作面底边中点O的距离，IABmax为最大发射电流，
Figure FDA0003198020020000012
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；
当偶极将接收电极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：
Figure FDA0003198020020000013
上式中，O′1O是发射电极距AB中点O′1到掘进面底边中点O的距离，O″O是接收电极距MN中点O″到O点的距离，IABmax为最大发射电流，
Figure FDA0003198020020000014
为接收电极距MN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所述的井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，所述A1和B1位置点，A2和B2位置点，...，Ai和Bi位置点...，An和Bn位置点之间的间隔越小，探测的分辨率越高；发射电极A和B从A1和B1位置点处开始，发射电极距AB中点O′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所述的井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，当单极接收电极M固定布置在掘进面时，与发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的测深点Di和视电阻率
Figure FDA0003198020020000021
的公式是：
Di≈O′1O-O′iO，(i＝1,2,...,n) (2a)
上式中的O′1O由式(1a)确定，O′iO是发射电极距AB中点O′i到O的距离；
Figure FDA0003198020020000022
上式中的
Figure FDA0003198020020000023
是Ai到M的距离、
Figure FDA0003198020020000024
是Bi到M的距离，其中MO是M到O的距离，
Figure FDA00031980200200000212
是发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的发射电流，
Figure FDA0003198020020000025
是与
Figure FDA00031980200200000213
对应的观测电压；
当偶极接收电极M和N固定布置在掘进面时，与发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的测深点Di和视电阻率
Figure FDA0003198020020000026
的公式是：
Di≈O′1O-O′iO，(i＝1,2,...,n) (2c)
其中的O′1O由式(1b)确定，O′iO是发射电极距AB中点O′i到O的距离；
Figure FDA0003198020020000027
式中的
Figure FDA0003198020020000028
是Ai到M的距离、
Figure FDA0003198020020000029
是Bi到M的距离、
Figure FDA00031980200200000210
是Ai到N的距离、
Figure FDA00031980200200000211
是Bi到N的距离，其中MO是M到O的距离，NO是N到O的距离，
Figure FDA0003198020020000034
是发射电极A和B位于Ai和Bi位置点对应的发射电流，
Figure FDA0003198020020000031
是与
Figure FDA0003198020020000035
对应的观测电压。
4.如权利要求3所述的井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，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)则将实测数据解释为异常：
Figure FDA0003198020020000032
当接收电极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：
Figure FDA0003198020020000033
式中，Mean±S.D.为平均数±标准差，AiM、BiM、AiN和BiN采用公式(2)中的定义。
5.如权利要求4所述的井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，当掘进面前方最大探测距离范围内无异常体时，由于电极布置对称性导致电流场的对称性，接收电极M或接收电极M和N观测到的是噪声电平；当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体时，电流场失去对称性，当接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定掘进面前方存在异常体。
6.如权利要求4所述的井下直流赤道向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体，但电流场尚未接触到该异常体，接收电极M或接收电极M和N观测到的是噪声电平；随着发射电极A和B向掘进面方向移动，电流场与异常体接触并被扰动，当扰动传递到掘进面上且接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定异常体的存在。
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