CN114814964A - 一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法 - Google Patents
一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法，采用一次布置N个等间距电极的电法测线，接着设定几个电极作为供电极，通过单极‑偶极装置在每个供电极供电时对其他电极进行电位测量，从而将每个供电极供电时所得数据采用视电阻率值计算公式进行计算，获得各组的视电阻率值并确定各组内各个视电阻率值对应的深度值H，接着得到各组供电极的电阻率点阵列图及电阻率测深曲线图；最后根据点阵列或测深曲线对富水区进行判别，将各个供电极的最小视电阻率值位置进行连线，根据连线斜率的正负值，则确定富水区位于巷道迎头的前后方，并采用画弧相交的方式确定富水区的中心位置其及半径范围；具有现场操作较为简单快速，探测费用较低的前提下，还具有较高的判别精确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下掘进空间的直流电法超前探测技术，具体是一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法。
背景技术
矿井巷道或隧道在掘进过程中存在诸多影响安全生产的地质异常，主要包括巷道揭露断层、陷落柱、富水区等。针对存在突水可能的低阻富水区探测，目前主要采用物探和钻探相结合的方法，既先采用物探查明巷道迎头前方是否存在物理性质异常，再采用钻探对确定区域进行验证探测，确保巷道的安全掘进。但是上述这种方法操作复杂，大大降低了施工效率，另外直流电法超前探测已进行过大量的模型及现场探测研究，由于富水区和周围煤岩层电性具有显著的电性差性，直流电法超前探测效果较好；并且该方法相对于物探和钻探相结合扥方式来说，其现场操作较为简单快速，探测费用较低，为国内外对巷道前方富水区探测最广泛应用的手段之一。
但是现有的直流电法超前探技术在数据采集方式及数据处理方面，还存在一些问题，制约了富水区探测的空间准确性。具体存在的问题为：
现有电法超前探测采用单极偶极法采集电阻率数据，通常采用两供电点法～四供电点法，数据处理采用镜像法处理(如图1和2所示)，其中图1中，A1点做为固定供电点时，MN保持固定极距由最接近A1点向远离迎头方向探测，并认为巷道内测得的电位异常能从供电电点源A1位置镜像到巷道迎头前方富水区(如图2所示)，但是由于巷道后方、巷道迎头前方及侧前方的富水区也会产生显著的低阻异常，因此这种仅仅凭借电位异常的直接镜像法导致对巷道迎头附近的局部富水区范围及位置难以准确判别，存在突水安全隐患。因此如何能提供一种方法，在具有现场操作较为简单快速，探测费用较低的前提下，还能准确判别出巷道迎头附近的局部富水区范围及位置，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法，在具有现场操作较为简单快速，探测费用较低的前提下，还能准确判别出巷道迎头前方或后方的富水区中心位置及其范围。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法，具体步骤为：
步骤一、构建电法超前探测观测系统：在已掘进的巷道内从巷道迎头向后采用一次布置N个等间距电极的电法测线，并从迎头开始依次对各个电极进行编号，分别为1～N号；供电电极B布置在距巷道迎头至少500m的位置；将各个电极均与多道电法仪器连接，通过多道电法仪器测量各个电极的视电阻率值，从而完成电法超前探测观测系统的布设；
步骤二、采集计算视电阻率的数据：将编号为1至N/4的电极依次作为供电极，采用单极-偶极装置(即A-MN装置)保持测量电极M和N以固定极距的方式在每个供电极供电时对其他电极进行电位测量，所述固定极距为电极间距的1至2倍；将每个供电极供电时所得的各个MN固定极距实测电位数据作为一组用于计算视电阻率的数据，共采集N/4组用于计算视电阻率的数据，并将所采集的数据表示为Ai-j，其中i为供电极的编号，表示i组的数据，j为每组内各个用于计算视电阻率的电位值；从而完成采集计算视电阻率数据的过程；
步骤三、视电阻率测深曲线计算：
(1)将步骤二获取的各个组用于计算视电阻率的数据采用视电阻率值计算公式为
其中，UMN为测量电极M和N以固定极距测量的电位值，I为供电极供电时的电流值，AM为供电极A与测量电极M之间的距离，AN为供电极A与测量电极N之间的距离，MN为测量电极M与测量电极N之间的距离；经过计算后获得各组的视电阻率值，每组内各个视电阻率值对应的巷道探测位置为该组供电极A下方深度值H为(AM+AN)/2；
(2)各组供电极的电阻率点阵列：将步骤(1)获得的各组视电阻率值，以各供电极为测深点，设巷道迎头的坐标为原点，以深度值H为横轴(取正值)，以供电极坐标X值为纵轴，正向为巷道迎头后方，建立坐标系，并将各组数据布设在该坐标系内，从而得到各组供电极的电阻率点阵列；
(3)各组供电极的电阻率测深曲线图：以深度值H为横轴(取正值)、以视电阻率值ρs为纵轴建立坐标系，在该坐标系内将每组内各个视电阻率值平滑连接后分别得到一条电阻率测深曲线，共能得出N/4条电阻率测深曲线；其中富水区在各条曲线上表现为明显的低视电阻率值范围，即各条曲线中表现为先降低后升高部分的最小视电阻率值位置为富水区中心点的响应，最小视电阻率值对应的深度为HA电极号；
步骤四、判别富水区位置及范围：
①富水区位于巷道迎头正前方或侧前方
基于步骤三获得的各组视电阻率值阵列或各条电阻率测深曲线图上，并选取供电极A1和A3对应的最小视电阻率值位置连线，若连线表现为正斜率关系，则确定富水区位于巷道迎头正前方或侧前方；且富水区中心距两个供电极的距离R电极号为HA电极号的1/2，即：R电极号＝HA电极号/2；
以供电极A1和A3各自的位置为圆心，以各自对应的R电极号为半径画弧交点即为富水区中心；富水区半径R水为距离巷道迎头最近供电极的测深曲线上从电阻率背景值到降到半幅值对应的深度差；所述电阻率背景值为N/4条电阻率测深曲线各自最大值的均值，从而能确定巷道迎头正前方或侧前方富水区的中心位置及其范围；
②富水区位于巷道迎头后方
基于步骤三获得的各组视电阻率值阵列或各条电阻率测深曲线图上，并选取供电极A1和A3对应的最小视电阻率值位置连线，若连线表现为负斜率关系，则确定富水区位于巷道迎头后方；且富水区中心距两个供电极的距离R电极号等于HA电极号，即：R电极号＝HA电极号；
以供电极A1和A3各自的位置为圆心，以各自对应的R电极号为半径画弧交点即为富水区中心；富水区直径2R水为距离巷道迎头最近供电极的测深曲线上从电阻率背景值到其最小视电阻率值对应的深度差；所述电阻率背景值为N/4条电阻率测深曲线各自最大值的均值，从而能确定巷道迎头后方富水区的中心位置及其范围。
进一步，所述步骤一中，电极的数量N≥32，且为4的倍数。采用该参数设置，便于后续计算，从而在保证判别精准度的前提下，还能提高判别效率。
进一步，所述电极间距为2～6m，测量电极M和N的固定极距为2～12m。采用该参数设置，便于后续计算，从而在保证判别精准度的前提下，还能提高判别效率。
与现有技术相比，本发明采用一次布置N个等间距电极的电法测线，并结合多道电法仪器，即完成电法超前探测观测系统构建，接着分别设定距离迎头较近的几个电极作为供电极，通过单极-偶极装置以固定极距的方式在每个供电极供电时对其他电极进行电位测量，从而将每个供电极供电时所得的各个MN固定极距实测电位数据作为一组用于计算视电阻率的数据，然后将每组数据采用视电阻率值计算公式进行计算，获得各组的视电阻率值并确定各组内各个视电阻率值对应的深度值H，接着分别建立两种坐标系并将各组数据分别放置在两个坐标系内，从而得到各组供电极的电阻率点阵列图及电阻率测深曲线图；最后根据点阵列或测深曲线对富水区进行判别，将各个供电极的最小视电阻率值位置进行连线，若连线为正斜率，则确定富水区位于巷道迎头正前方或侧前方，并采用画弧相交的方式确定富水区的中心位置，同时根据视电阻率降低的深度差确定其半径范围；若连线为负斜率，则确定富水区位于巷道迎头后方，并采用画弧相交的方式确定富水区的中心位置，同时根据视电阻率降低的深度差确定其半径范围。因此本发明仅需布置一次电法测线并结合多道电法仪器，即可准确地探测出迎头周围的富水区中心位置及其范围(可兼顾判别巷道迎头前方及后方的富水区位置)，并且该方法探测设备布设及后续判别过程简单快速，探测费用较低，无需专业软件处理，基于视电阻率测深曲线图即可清楚反映是否有富水区的响应及其所处的位置和范围，具有较好的实用性。
附图说明
图1是现有直流电法数据采集示意图；
图2是现有直流电法进行镜像解释的示意图；
图3是本发明的电法超前探测观测系统布设示意图；
图4是本发明视电阻率对应的探测深度及电阻率点阵列示意图
图5是本发明中电阻率测深曲线图；
图6是采用本发明对富水区位于巷道迎头正前方或侧前方的判别示意图；
图7是采用本发明对富水区位于巷道迎头后方的判别示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例：对某矿区进行富水区的中心位置及其范围进行确定，具体步骤为：
步骤一、构建电法超前探测观测系统：如图3所示，在已掘进的巷道内从巷道迎头向后采用一次布置32个等间距电极的电法测线，其中电极间距为6m，则该电法测线的长度为186m，并从迎头开始依次对各个电极进行编号，分别为1#～32#；供电电极B布置在距巷道迎头500m的位置；将各个电极均与多道电法仪器连接，通过多道电法仪器测量各个电极的视电阻率值，从而完成电法超前探测观测系统的布设；
步骤二、采集计算视电阻率的数据：将编号为1至8的电极依次作为供电极，采用单极-偶极装置(即A-MN装置，该装置为现有设备)保持测量电极M和N以固定极距为6m的方式在每个供电极供电时对其他电极进行电位测量；将每个供电极供电时所得的各个MN固定极距实测电位数据作为一组用于计算视电阻率的数据，共采集8组用于计算视电阻率的数据，并将所采集的数据表示为Ai-j，其中i为供电极的编号，表示i组的数据，j为每组内各个用于计算视电阻率的电位值；从而完成采集计算视电阻率数据的过程；具体过程为：第1组用于计算视电阻率的数据为1#电极，电流值为I，则A1-1的电位值为2、3#电极采集电位(将2、3#电极分别作为测量电极M和N，即两者电位差UMN)，A1-2电位值为3、4#电极采集电位而得，以此类推A1-30电位值由31、32#电极采集电位而得，A1组用于计算视电阻率的数据共有30个数据；第2组用于计算视电阻率的数据为2#电极，则A2-1电位值为3、4#电极采集电位而得，A2-2电位值为4、5#电极采集电位而得，以此类推A2-29电位值为31、32#电极采集电位而得，A2组用于计算视电阻率的数据共有29个数据；第3组用于计算视电阻率的数据为3#电极，则A3-1电位值为4、5#电极采集电位而得，A3-2电位值为5、6#电极采集电位而得，以此类推A3-28电位值为31、32#电极采集而得，A3组用于计算视电阻率的数据共有28个数据，以此类推，直至采集到A8组用于计算视电阻率的数据，A8组用于计算视电阻率的数据共有23个数据；
步骤三、视电阻率测深曲线计算：
(1)将步骤二获取的各个组用于计算视电阻率的数据采用视电阻率值计算公式为
其中，UMN为测量电极M和N以固定极距测量的电位值，I为供电极供电时的电流值，AM为供电极A与测量电极M之间的距离，AN为供电极A与测量电极N之间的距离，MN为测量电极M与测量电极N之间的距离；经过计算后获得各组的视电阻率值，每组内各个视电阻率值对应的巷道探测位置为该组供电极A下方深度值H为(AM+AN)/2；
(2)各组供电极的电阻率点阵列：将步骤(1)获得的各组视电阻率值，以各供电极为测深点，设巷道迎头的坐标为原点，以深度值H为横轴(取正值)，以供电极坐标X值为纵轴，正向为巷道迎头后方，建立坐标系并将各组数据布设在该坐标系内，如图4所示，从而得到各组供电极的电阻率点阵列；
(3)各组供电极的电阻率测深曲线图：以深度值H为横轴(取正值)、以视电阻率值ρs为纵轴建立坐标系，在该坐标系内将每组内各个视电阻率值平滑连接后分别得到一条电阻率测深曲线，共能得出8条电阻率测深曲线；其中富水区在各条曲线上表现为明显的低视电阻率值范围，如图5所示，即各条曲线中表现为先降低后升高部分的最小视电阻率值位置为富水区中心点的响应(在曲线图中以☆表示最小视电阻率值点)，最小视电阻率值对应的深度为HA电极号；
步骤四、判别富水区位置及范围：
①富水区位于巷道迎头正前方或侧前方
如图6所示，基于步骤三获得的各组视电阻率值阵列或各条电阻率测深曲线图上，并选取供电极A1和A3对应的最小视电阻率值位置连线，若连线表现为正斜率关系，则确定富水区位于巷道迎头正前方或侧前方；且富水区中心距两个供电极的距离R电极号为HA电极号的1/2，即：R电极号＝HA电极号/2；
以供电极A1和A3各自的位置为圆心，以各自对应的R电极号为半径画弧交点即为富水区中心；富水区半径R水为距离巷道迎头最近供电极的测深曲线上从电阻率背景值到降到半幅值对应的深度差(即图6中H2-H1的差值)；所述电阻率背景值为N/4条电阻率测深曲线各自最大值的均值，从而能确定巷道迎头正前方或侧前方富水区的中心位置及其范围；
②富水区位于巷道迎头后方
如图7所示，基于步骤三获得的各组视电阻率值阵列或各条电阻率测深曲线图上，并选取供电极A1和A3对应的最小视电阻率值位置连线，若连线表现为负斜率关系，则确定富水区位于巷道迎头后方；且富水区中心距两个供电极的距离R电极号等于HA电极号，即：R电极号＝HA电极号；
以供电极A1和A3各自的位置为圆心，以各自对应的R电极号为半径画弧交点即为富水区中心；富水区直径2R水为距离巷道迎头最近供电极的测深曲线上从电阻率背景值到其最小视电阻率值对应的深度差(如图7中H3-H1的差值)；所述电阻率背景值为N/4条电阻率测深曲线各自最大值的均值，从而能确定巷道迎头后方富水区的中心位置及其范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、构建电法超前探测观测系统：在已掘进的巷道内从巷道迎头向后采用一次布置N个等间距电极的电法测线，并从迎头开始依次对各个电极进行编号，分别为1～N号；供电电极B布置在距巷道迎头至少500m的位置；将各个电极均与多道电法仪器连接，通过多道电法仪器测量各个电极的视电阻率值，从而完成电法超前探测观测系统的布设；
步骤二、采集计算视电阻率的数据：将编号为1至N/4的电极依次作为供电极，采用单极-偶极装置保持测量电极M和N以固定极距的方式在每个供电极供电时对其他电极进行电位测量，所述固定极距为电极间距的1至2倍；将每个供电极供电时所得的各个MN固定极距实测电位数据作为一组用于计算视电阻率的数据，共采集N/4组用于计算视电阻率的数据，并将所采集的数据表示为Ai-j，其中i为供电极的编号，表示i组的数据，j为每组内各个用于计算视电阻率的电位值；从而完成采集计算视电阻率数据的过程；
步骤三、视电阻率测深曲线计算：
(1)将步骤二获取的各个组用于计算视电阻率的数据采用视电阻率值计算公式为
其中，UMN为测量电极M和N以固定极距测量的电位值，I为供电极供电时的电流值，AM为供电极A与测量电极M之间的距离，AN为供电极A与测量电极N之间的距离，MN为测量电极M与测量电极N之间的距离；经过计算后获得各组的视电阻率值，每组内各个视电阻率值对应的巷道探测位置为该组供电极A下方深度值H为(AM+AN)/2；
(2)各组供电极的电阻率点阵列：将步骤(1)获得的各组视电阻率值，以各供电极为测深点，设巷道迎头的坐标为原点，以深度值H为横轴，以供电极坐标X值为纵轴，正向为巷道迎头后方，建立坐标系，并将各组数据布设在该坐标系内，从而得到各组供电极的电阻率点阵列；
(3)各组供电极的电阻率测深曲线图：以深度值H为横轴、以视电阻率值ρs为纵轴建立坐标系，在该坐标系内将每组内各个视电阻率值平滑连接后分别得到一条电阻率测深曲线，共能得出N/4条电阻率测深曲线；其中富水区在各条曲线上表现为明显的低视电阻率值范围，即各条曲线中表现为先降低后升高部分的最小视电阻率值位置为富水区中心点的响应，最小视电阻率值对应的深度为HA电极号；
步骤四、判别富水区位置及范围：
①富水区位于巷道迎头正前方或侧前方
基于步骤三获得的各组视电阻率值阵列或各条电阻率测深曲线图上，并选取供电极A1和A3对应的最小视电阻率值位置连线，若连线表现为正斜率关系，则确定富水区位于巷道迎头正前方或侧前方；且富水区中心距两个供电极的距离R电极号为HA电极号的1/2，即：R电极号＝HA电极号/2；
以供电极A1和A3各自的位置为圆心，以各自对应的R电极号为半径画弧交点即为富水区中心；富水区半径R水为距离巷道迎头最近供电极的测深曲线上从电阻率背景值到降到半幅值对应的深度差；所述电阻率背景值为N/4条电阻率测深曲线各自最大值的均值，从而能确定巷道迎头正前方或侧前方富水区的中心位置及其范围；
②富水区位于巷道迎头后方
基于步骤三获得的各组视电阻率值阵列或各条电阻率测深曲线图上，并选取供电极A1和A3对应的最小视电阻率值位置连线，若连线表现为负斜率关系，则确定富水区位于巷道迎头后方；且富水区中心距两个供电极的距离R电极号等于HA电极号，即：R电极号＝HA电极号；
以供电极A1和A3各自的位置为圆心，以各自对应的R电极号为半径画弧交点即为富水区中心；富水区直径2R水为距离巷道迎头最近供电极的测深曲线上从电阻率背景值到其最小视电阻率值对应的深度差；所述电阻率背景值为N/4条电阻率测深曲线各自最大值的均值，从而能确定巷道迎头后方富水区的中心位置及其范围。
2.根据权利要求1所述的基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法，其特征在于，所述步骤一中，电极的数量N≥32，且为4的倍数。
3.根据权利要求1所述的基于可变源距直流电阻率的巷道前方富水区判别方法，其特征在于，所述电极间距为2～6m，测量电极M和N的固定极距为2～12m。
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- 2022-05-17 CN CN202210535146.0A patent/CN114814964B/zh active Active
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