直流電法地孔探測方法與裝置制造方法
【專利摘要】一種地面大電流供電，建立穩定對稱的點電源場，井下鉆孔中直接接收單點電位的直流電法探測地孔裝置與方法。其中，在井下需要超前探測的目標地層中打鉆孔，在鉆孔投影的地面相應位置，鉆孔兩端布置兩個供電電極，分別與地面無窮遠電極組成供電系統，向地下依次單點供電，建立人工場源；在井下鉆孔中布置一個接收電極，另一個電極布置在無窮遠處，兩電極分別與接收設備的M、N極相連接，孔內接收點電源場在接收電極位置產生的電位；最終獲得兩組電位數據，以此為基礎數據，進行聯合處理，得到可用于地質解釋的數據體。
【專利說明】直流電法地孔探測方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于地球物理勘探【技術領域】，涉及一種地面建立人工場源，地下鉆孔中探測隱伏致災體的直流電法探測方法與裝置。
【背景技術】
[0002]在地球物理勘探【技術領域】，通常需要一種可靠的探測方法，以滿足相關行業安全生產的需要。直流電法地孔探測方法是一種應用于探測隱伏致災體的超前預測預報方法，其能夠精確識別鉆孔周圍一定徑向距離內的隱伏含/導水體。
[0003]對巷道、隧道掘進前方，以及煤礦回采工作面內隱伏災害性地質異常體、含/導水體的預測預報是一項與安全生產緊密相關的重要工作。目前主要的探測方法有地震反射波法、瑞雷波法、地質雷達法、瞬變電磁法、直流電阻率法、紅外測溫法和申請號為200810044794.6的專利所記載的預報隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。
[0004]地震反射波法中應用較廣的有隧道地震剖面法(TSP)和隧道垂向地震剖面法(TVSP)。兩種方法的工作方式稍有差異，但都是利用地震反射原理地震反射波法對巖層速度分界面能較好的確定。在實際工作中，該方法接收的信號較復雜，斷層界面的負視速度反射波難以準確提取，導致解釋結果存在較嚴重的多解性，而且地震反射波對地下水的反應不敏感，不能準確預報前方強含水地質異常體，尤其是對點狀導水通道更是無能為力。
[0005]瑞雷波法是利用彈性波中瑞雷面波的傳播特征，來探測前方結構面的一種物探方法，分為穩態和瞬態兩種方法。穩態瑞雷波法由于設備過于笨重，施工效率低，難以適合巷道超前探測條件。瞬態瑞雷波采用多個檢波器，接收同一個震源激發的面波信息，根據半波長理論解釋界面深度。瑞雷波法在探測地質體(煤層)分層、斷裂帶、陷落柱、地質異常體等方面均有實用價值，但該方法同樣對含水體不敏感，不能準確預測掘進前方的含水體，且超前距離一般只有50m，特別在松軟煤層中超前距離較短。
[0006]地質雷達探測方法是以介質的電性、磁性為基礎，研究不同頻率的電磁波經介質反射、透射、吸收后的能量衰減、頻散作用和時間等參數的變化規律，利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射特性來探測目標體，用于推測工作面前方地質異常體的形態和空間位置。該方法對斷層、陷落柱、老窯等含水體有較好的探測效果，但目前探測距離較短，大約在20m?30m以內，同時雷達記錄易受洞內機器干擾，探測分析中要特別注意波相識別，排除干擾。
[0007]地面瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次電磁場，在一次電磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。該方法對低阻體反應靈敏，被廣泛應用于尋找水資源、低阻礦體和礦井隱伏含/導水區域或通道的探測中。在工作過程中，當遇到周邊有大的金屬磁性體、地面或空間存在工業電磁信號和周期電信號干擾時，對所測到的數據產生嚴重影響；同時在地層表面存在低阻層或低阻礦化帶時，瞬變電磁法也不能可靠的測量。在此情況下，無法完成對深部目標體的探測，尤其是對大深度開采的礦井所面臨的埋藏較深的、具有引起災害性突發事件的隱伏含/導水構造，更無法實現有效探測。
[0008]礦井瞬變電磁探測方法原理同地面瞬變電磁法，其主要獲取探測方向上地質體的電阻率，通過電阻率差異判斷地質構造、導/含水體等地質異常體。該方法的缺點是不能探測掘進頭附近約20m范圍內的地質體；巷道內金屬體、局部電性不均勻體被激發后產生的渦流場，對采集的數據影響較大，出現難以排除的假異常；對目標異常體在空間上的定位存在不確定性。
[0009]礦井直流電阻率法超前探測是以介質的導電性差異為物理基礎，通過觀測和研究地下人工穩定電流場的空間分布規律，達到勘查目的的一種超前探測方法。該方法的接收電極布置在掘進迎頭后方，受施工環境(鐵軌、金屬支架、錨網、電器設備、局部水坑或潮濕地段等)和巷道空間影響較大，接收的數據不穩定，假異常偏多；單次探測距離有限，一般認為80?100m。
[0010]紅外測溫方法是以巖石熱傳導、熱輻射性質為基礎，在一定的距離和觀測精度下測量掌子面上的溫度變化。根據含水體與圍巖的溫差引起的溫度異常場的分布規律，對其進行超前預報。該方法對溶洞、斷層破碎帶、巖溶裂隙發育帶等含水體的超前預報具有較高的準確性，但探測距離較短，一般小于30m，且目前仍局限于定性預報異常體的含水性，對含水量亦不能進行定量或半定量預報。
[0011]申請號為200810044794.6的發明專利說明了一種預報隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。其原理是依據地下水在巖體中循環流動導致水體周邊及流經位置圍巖的溫度變化，通過這種溫度差異推測掌子面前方可能存在的含水體。該方法具有一定的準確性，但不能定量預測地下水體相對于掌子面的距離。其工作方式是在施工掌子面后面的隧道周邊，隨隧道施工掌子面的前移，按一定間距逐點跟蹤測試隧道周邊巖體的溫度。其溫度測試在5?12m深的巖孔中進行，因此需要在隧道后方等間距實施一定數量的鉆孔，具有相對較大的工作量。
[0012]在現代化礦井生產過程中，綜掘機廣泛被采用，巷道掘進速度也隨之提高，日進尺可達30m以上，在這種情況下，應用上述方法進行超前預測預報，將產生單次預報距離較短，準確度不夠的缺陷；工作面回采前，也需查明其內部隱伏地質異常體，確保安全回采。因此，迫切需要一種單次預報距離更長，精度更高的超前探測方法。
【發明內容】
[0013]本發明提出了一種在地面固定兩個供電電極、向地下供入大電流，建立穩定的人工場源，井下鉆孔內接收電極直接測量單點電位的直流電法地孔探測裝置與方法。
[0014]本發明探測工作原理是:在地面布置供電系統，含一個無窮遠電極和兩個供電電極，接收電極位于井下鉆孔內。供電電極向地層供入直流電建立人工電場，根據電流場分布原理，各供電電極分別供電時都是點電源，其等電位面是以供電電極為球心的半球面，該半球面的特點是在同一個球面上的任意一點的電位相同(稱之為等位面)，由孔中的接收電極測量該處的電位。每移動一次接收電極，依次接收地面兩個供電電極電源場分別在該接收電極處的電位，當掘進前方無地質異常體時，獲得的電位為正常背景值，而當存在地質異常體時，等位面的分布將被改變，通過測量這種電位差異，獲得孔周圍地質異常體的信息。由對稱的兩個供電電極可以得到兩組數據，通過對比分析，獲得地質異常體更精確的徑向位置。
[0015]根據本發明，不僅可以避免地面直流電阻率法(地面發射和接收)受地形和淺部不均勻體等影響，而且有效利用地面可以供入大電流的優點，避開了井下物探儀器的防爆限制，及井下鉆孔中接收信號，避開了巷道內復雜的施工環境。
[0016]根據本發明，對鉆孔周圍一定范圍內地層進行掃描，能夠實現對孔周圍的含/導水構造(或含富水區域)、老空積水、巖溶陷落柱、灰巖水等隱伏地質異常體的準確定位。
[0017]根據本發明，探測距離可以視探測目的任務和鉆孔深度可長可短。
[0018]具體的，本發明提供一種地面大電流供電，井下鉆孔中接收的直流電法探測方法，該方法可以用于掘進巷道迎頭前方和工作面內部隱伏致災體的探測，其特征在于，包括以下幾個方面:
[0019](I)在需要超前探測的巷道的迎頭的前方，或者工作面內，或者頂底板，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據探測要求至100?300m或更深；
[0020](2)鉆孔投影的地面相應位置，沿鉆孔兩端布置兩個供電電極，沿垂直方向布置一個無窮遠電極，分別與供電設備的A、B極相連，組成供電系統。無窮遠電極距離大于5倍的地面至鉆孔距離；
[0021](3)兩供電電極交替向地層供出穩定的電流，分別建立以供電電極為中心的點電源場；
[0022](4)將一個接收電極布置于鉆孔內，另一個電極布置在無窮遠處，無窮遠距離大于5倍的鉆孔深度，兩電極分別與接收設備的M、N極相連接，孔內接收點電源場在接收電極位置產生的電位；
[0023](5)兩個供電電極分別供電，通過接收電極獲得兩組電位數據，以此為基礎數據，進行聯合處理，得到可用于地質解釋的數據體。
[0024](6)孔中以固定的點距進行數據采集，當發現數據出現突變時，可將接收電極保持原位，實時重復采集，待確認數據突變非操作原因引起，以小于原點距的距離移動接收電極，進行測點加密采集。
[0025]根據上述直流電法地孔探測方法，其特征在于，所述鉆孔為順層鉆孔，即在需要超前探測的巷道的迎頭前方，或者工作面內，或者頂底板，順層打鉆孔，孔深可根據探測要求至100?300m或更深，或者穿透工作面。
[0026]根據上述直流電法地孔探測方法，其特征在于，所述鉆孔投影的地面相應位置，為鉆孔兩端，布置兩個供電電極；所述無窮遠電極應沿垂直兩供電電極連線方向布置，距離大于5倍的地面至鉆孔之間的距離；無窮遠電極與供電設備的供電端之一相連，兩供電電極需要供電時，分別與供電設備的另一供電端相連，組成供電系統。
[0027]根據上述直流電法地孔探測方法，其特征在于，所述井下接收系統由接收設備、一個接收電極和一個無窮遠電極組成，接收電極布置于鉆孔內，無窮遠電極距離大于5倍的鉆孔深度。
[0028]根據上述直流電法地孔探測方法，其特征在于，所述兩供電電極依次供出穩定電流，并分別在地層中建立穩定的點電源場；所述接收電極由孔口至深部依次移動布置，每次移動，均接收兩個供電電極分別供電時在該處產生的電位。施工結束獲得兩組電位數據，以此為基礎，進行聯合處理，得到可用于地質解釋的數據體。[0029]根據上述直流電法地孔探測方法，其特征在于，孔中以固定的點距進行數據采集，當發現數據出現突變時，可將接收電極保持原位，實時重復采集，待確認數據突變非操作原因引起，以小于原點距的距離移動接收電極，進行測點加密采集。
[0030]另外，本發明還提供一種直流電法地孔探測裝置，地面兩個供電電極聯合向地下供電，井下鉆孔中單電極接收電位，實現對鉆孔周圍一定范圍內的探測，其特征在于，包括以下幾個方面:
[0031](I)供電系統位于地面，接收系統位于井下孔中，供電和接收分離；
[0032](2)在需要超前探測的巷道的迎頭的前方，或者工作面內，或者頂底板，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據探測要求至100?300m或更深；
[0033](3)鉆孔投影的地面相應位置，沿鉆孔兩端布置兩個供電電極，沿垂直方向布置一個無窮遠電極，分別與供電設備的A、B極相連，組成供電系統。無窮遠電極距離大于5倍的地面至鉆孔距離；
[0034](4)將一個接收電極布置于鉆孔內，另一個電極布置在無窮遠處，無窮遠距離大于5倍的鉆孔深度，兩電極分別與接收設備的M、N極相連接，組成接收系統。
[0035]根據上述直流電法地孔探測裝置，其特征在于，所述供電系統位于地面，所述接收系統位于井下孔中，供電和接收實現分離。
[0036]根據上述直流電法地孔探測裝置，其特征在于，所述鉆孔為順層鉆孔，即在需要超前探測的巷道的迎頭前方，或者工作面內，或者頂底板，順層打鉆孔，孔深可根據探測要求至100?300m或更深，或者穿透工作面。
[0037]根據上述直流電法地孔探測裝置，其特征在于，所述鉆孔投影的地面相應位置，為鉆孔兩端，布置兩個供電電極；所述無窮遠電極應沿垂直兩供電電極連線方向布置，距離大于5倍的地面至鉆孔之間的距離；無窮遠電極與供電設備的供電端之一相連，兩供電電極需要供電時，分別與供電設備的另一供電端相連，組成供電系統。
[0038]根據上述直流電法地孔探測方法，其特征在于，所述井下接收系統由接收設備、一個接收電極和一個無窮遠電極組成，接收電極布置于鉆孔內，無窮遠電極距離大于5倍的鉆孔深度。
[0039]根據本發明，于地面布置供電電極，供電建立人工場源，井下鉆孔中單點接收電位，根據電位變化，能夠辨別目標層位中含/導水構造(或含/富水區域)、老空積水、巖溶陷落柱、灰巖水等隱伏含水地質異常體。
[0040]另外，根據本發明，由于一般巖層含水時電阻率較低，對供入地下的電流場有強烈影響，因此該方法對于識別掘進前方的含/導水體尤其有效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1為本發明直流電法探測地孔裝置與方法原理示意圖。
[0042]圖中:1.地面，2.地層，3.供電系統，4.供電電極，5.供電電極，6.地面供電端無窮遠電極，7.等電位面，8.巷道，9.掘進迎頭，10.鉆孔與測點，11.接收裝置，12.接收端無窮遠電極
【具體實施方式】[0043]下面參照附圖結合【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0044]圖1為本發明直流電法探測地孔裝置與方法原理示意圖。
[0045]參照圖1，盡管是以煤礦順煤層超前探測地質異常體為例進行的描述，但需要說明的是，該描述僅僅是示例性的，本發明并不僅限于順煤層超前探測地質異常體的方案中。大體上講，本發明【具體實施方式】包括以下步驟:
[0046](I)在需要超前探測的巷道8迎頭9前方，沿巷道8掘進方向順煤層打鉆孔10，深度可根據探測要求鉆進，如100m、200m、300m或更深。
[0047](2)在鉆孔10投影的地面I相應位置，采用測量控制兩端，并布置兩個供電電極4和5,沿垂直方向布置一個無窮遠電極6,分別與供電設備的A、B極相連,組成供電系統3。無窮遠電極6距離大于5倍的地面I至鉆孔10的垂直距離。
[0048](3)供電電極4和5分別向地層2供入直流電建立人工電場，以供電電極為中心形成點電源場，均勻介質情況下，其等電位面是以供電電極為球心的半球面(如圖1中7)，該球面的特點是在同一個球面上的任意一點的電位相同。
[0049](4)地面供電系統采用單點供電的方式向地層供電，即供電電極4處于供電狀態時，供電電極5則處于斷開狀態，反之，在供電電極5處于供電狀態時，則供電電極4處于斷開狀態，在圖1中示出的等電位線7 (圓弧線)表征的是點電源在均勻地層2中建立的電場分布狀態。
[0050](5)將一個接收電極布置于鉆孔內，另一個電極布置在無窮遠處，無窮遠距離大于5倍的鉆孔深度，兩電極分別與接收設備的M、N極相連接，孔內接收點電源場在接收電極位置產生的電位；
[0051]若地層中存在低阻異常體，因其具有吸引電流的能力，使其內部的電流密度比外部圍巖中的電流密度大，電阻率愈低，吸引能力愈強；相反，存在高阻異常體時，因其具有排斥電流的能力，使其內部的電流密度比外部圍巖中的電流密度小，電阻率愈高，排斥能力愈強；因此，高、低阻異常體的存在均會造成等位面的畸變，通過觀測這種變化，可以確定異常體的位置。
[0052](6)兩個供電電極4和5分別供電，通過接收電極獲得兩組電位數據，以此為基礎數據，進行聯合處理，得到可用于地質解釋的數據體。
[0053](7)孔中10以固定的點距進行數據采集，當發現數據出現突變時，可將接收電極保持原位，實時重復采集，待確認數據突變非操作原因引起，以小于原點距的距離移動接收電極，進行測點加密采集。
[0054]以上根據實施例對本發明作出了詳細描述，然而，所述描述是例示性的，本發明不僅僅限于實施例中，本領域技術人員完全能夠根據本發明教導而對其作出各種形式的替換或者變更，在不脫離本發明宗旨和精神的前提下，凡是對本發明作出的各種變更及修飾均視為本發明所涵蓋的內容，均落入所附權利要求的范圍之內。
【權利要求】
1.一種直流電法地孔探測方法，其特征在于，包括以下幾個方面: (1)在需要超前探測的巷道的迎頭的前方，或者工作面內，或者頂底板，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據探測要求至100?300m或更深； (2)鉆孔投影的地面相應位置，沿鉆孔兩端布置兩個供電電極，并沿垂直方向布置一個無窮遠電極，以組成供電系統，無窮遠電極距離大于5倍的地面至鉆孔距離； (3)兩供電電極交替向地層供出穩定的電流，分別建立以供電電極為中心的點電源場； (4)將一個接收電極布置于鉆孔內，另一個電極布置在無窮遠處，無窮遠距離大于5倍的鉆孔深度，孔內接收點電源場在接收電極位置產生的電位； (5)兩個供電電極分別供電，通過接收電極獲得兩組電位數據，以此為基礎數據，進行聯合處理，得到可用于地質解釋的數據體； (6)孔中以固定的點距進行數據采集，當發現數據出現突變時，將接收電極保持原位，實時重復采集，待確認數據突變非操作原因引起，以小于原點距的距離移動接收電極，進行測點加密采集。
2.如權利要求1所述直流電法地孔探測方法，其特征在于，所述兩供電電極依次供出穩定電流，并分別在地層中建立穩定的點電源場；所述接收電極由孔口至深部依次移動布置，每次移動，均接收兩個供電電極分別供電時在該處產生的電位，施工結束獲得兩組電位數據，以此為基礎，進行聯合處理，得到可用于地質解釋的數據體。
3.一種直流電法地孔探測裝置，地面兩個供電電極聯合向地下供電，井下鉆孔中單電極接收電位，實現對鉆孔周圍一定范圍內的探測，所述供電系統位于地面，所述接收系統位于井下孔中，供電和接收實現分離，其特征在于， 在鉆孔投影的地面相應位置，沿鉆孔兩端布置兩個供電電極，沿垂直方向布置一個無窮遠電極，組成供電系統，無窮遠電極距離大于5倍的地面至鉆孔距離； 在鉆孔內布置一個接收電極，另一個電極布置在無窮遠處，無窮遠距離大于5倍的鉆孔深度，組成接收系統。
4.如權利要求3所述直流電法地孔探測裝置，其特征在于，所述鉆孔為順層鉆孔，即在需要超前探測的巷道的迎頭前方，或者工作面內，或者頂底板，順層打鉆孔，孔深可根據探測要求至100?300m或更深，或者穿透工作面。
【文檔編號】G01V3/22GK103995295SQ201410257804
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】王鵬, 侯彥威, 王信文, 高波, 王秀臣, 江球 申請人:中煤科工集團西安研究院有限公司