一種基于直流電法的巷道水害超前探測快速布極系統(tǒng)及其探測方法與流程

本發(fā)明涉及礦井地球物理方法應(yīng)用領(lǐng)域，特別是一種基于直流電法的巷道水害超前探測快速布極系統(tǒng)及其探測方法。

背景技術(shù)：
水害是影響礦井安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。在煤礦巷道掘進(jìn)過程中，查明采掘工作面前方富水異常區(qū)位置是解決煤礦水害問題的關(guān)鍵。目前常用方法包括鉆探和物探兩大類。其中直流電法巷道超前探測技術(shù)被廣泛采用，它是基于巖石、水體等電阻率差異的特點，利用點電源在空間的電場分布為等勢球體這一特性，達(dá)到超前探測的目標(biāo)。超前勘探前方含水異常常用方法為有：①三點源探測法，即在掘進(jìn)面附近以一定間距布置供電電極A1、A2、A3，供電電極B置于無窮遠(yuǎn)處。測量電極M、N在巷道內(nèi)按箭頭所示方向以一定的間隔移動(圖1)，每移動一次測量電極，測量一次A1、A2、A3所對應(yīng)的視電阻率值ρ1、ρ2、ρ3；②7電極系測試法，此方法跟三點源測試法工作原理相同，其供電電極個數(shù)為七個(A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7)；③多極覆蓋觀測系統(tǒng)，即利用并行電法測試設(shè)備一次布置64個電極，在任一電極供電時，其余63個電極同步采集電位，可在短時間內(nèi)完成多個供電點三極組合測試，取得大量的電極點電位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多極供電直流電法超前探測(引用文獻(xiàn)：張平松，李永盛等.巷道掘進(jìn)直流電阻率法超前探測技術(shù)應(yīng)用探討.2013，9(1)：136-138)。但這些常用方法都普遍存在著一個問題：在連續(xù)的對掘進(jìn)面前方進(jìn)行跟蹤探測時，一條測線布置并測量完后，需要將所有供電電極和測量電極重新進(jìn)行布置才能進(jìn)行后續(xù)測量，該做法不僅耗時耗力，而且電極的一致性受到影響，對數(shù)據(jù)處理和解釋帶來不便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了解決上述背景技術(shù)中存在的不足，提出一種施工更簡單、工作效率更高，并能對掘進(jìn)面前方含水異常體進(jìn)行連續(xù)跟蹤探測的基于直流電法的水害超前探測的自動布極的智能、快速探測方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于直流電法的水害超前探測快速布極系統(tǒng)，包括無窮遠(yuǎn)電極和主機，兩者通過伸縮電纜連接，所述主機用于對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理及成圖分析；還包括與主機連接的自動進(jìn)位多芯測線，所述自動進(jìn)位多芯測線包括若干組公母頭航插，兩組公母頭航插之間通過若干條楔形測線連接，每組公母頭航插上對應(yīng)連接一個電極。兩個所述電極之間的距離為2-10m，公母頭航插組數(shù)量為距掘進(jìn)迎頭面(掘進(jìn)迎頭面即掘進(jìn)工作面)最遠(yuǎn)探測目標(biāo)距離除以電極間距并取整。本發(fā)明的另一目的是提供該系統(tǒng)的水害超前探測方法，包括以下步驟：(1)根據(jù)超前探測需求，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，選擇測量方法(電阻率法、激發(fā)極化法、自然電場法)；(2)將電纜鋪在巷道底板上，電極固定于自動進(jìn)位多芯測線上，無窮遠(yuǎn)電極放置于5倍的探測測線的距離后方(巷道迎頭為前方)，將電極置于底板，將自動進(jìn)位多芯測線、可伸縮電纜與主機相連，按下主機電源，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)開始工作；(3)一條測線測量完，數(shù)據(jù)保存后，將系統(tǒng)放置于原位等待；(4)在工作面再次掘進(jìn)完一定距離后，對觀測系統(tǒng)進(jìn)行重新布置，其布置方式為：整體拔下自動進(jìn)位多芯測線上的再后一個“母頭航插、楔形測線及公頭航插”組合及電極，將拔下的所述組合插接到未移動的自動進(jìn)位多芯測線最靠前的公頭航插上，把相應(yīng)向前搬動的電極安裝好，延長可伸縮電纜，向前移動主機并連接好主機，按下主機電源后，重新設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行測量；(5)測量并保存數(shù)據(jù)后，根據(jù)(3)-(4)步驟進(jìn)行下次作業(yè)。步驟(1)中，所述測量方法采用三點源測試法、7電極系測試法或多極覆蓋觀測系統(tǒng)測試法。由上述技術(shù)方案可知：電極個數(shù)根據(jù)探測需求而定，如三點源測試法和7電極系測試法，供電電極為3個或7個，測量電極為2個，無窮遠(yuǎn)電極為1個；多極覆蓋觀測系統(tǒng)電極的個數(shù)可以為N個；所述自動進(jìn)位多芯測線的長度根據(jù)探測需求而定。本發(fā)明的自動進(jìn)位多芯測線改變了傳統(tǒng)“一條線式”電纜連接方式，內(nèi)部測線呈“楔形”分布并增加N個公母頭航插，1個“母頭航插、楔形測線及公頭航插”組合對應(yīng)連接1個電極，其電極個數(shù)的選擇可根據(jù)巷道掘進(jìn)工作面的探測具體而定。所述可伸縮線纜用于連接主機和無窮遠(yuǎn)電極；所述自動進(jìn)位多芯測線、可伸縮電纜與主機相連，電極用皮筋、插拔夾或插頭固定在自動進(jìn)位多芯測線上，無窮遠(yuǎn)電極用皮筋、插拔夾或插頭固定在可伸縮電纜上。本發(fā)明的有益效果是：改變傳統(tǒng)電纜布置方式，增加了相應(yīng)個數(shù)的“母頭航插、楔形測線及公頭航插”組合，其優(yōu)點在于，第一，不用重新布置各個電極、測線及主機，只需移動與掘進(jìn)距離相對應(yīng)的一段測線、電極及主機，工作更方便快捷，省時省力，N-1個電極的耦合條件均不變；第二，改變傳統(tǒng)的一掘一探模式，本發(fā)明的快捷方便可以對巷道掘進(jìn)工作面進(jìn)行實時跟蹤探測，既隨著掘進(jìn)迎頭的前行，逐點跟蹤移動電極，提高了工作效率，又能保證掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)異常體被及時、多次發(fā)現(xiàn)。附圖說明圖1是三點源測試法施工布置示意。圖2是多次覆蓋觀測系統(tǒng)布置圖。圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖4(a)是本發(fā)明自動進(jìn)位多芯測線結(jié)構(gòu)示意(移動前)。圖4(b)是本發(fā)明自動進(jìn)位多芯測線結(jié)構(gòu)示意圖(移動后)。圖中，1.地下巷道，2.掘進(jìn)面，3.主機，4.可伸縮電纜，5.無窮遠(yuǎn)電極，6.電極，7.自動進(jìn)位多芯測線，8.母頭航插，9.楔形測線，10.公頭航插。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖3所示，本發(fā)明主要包括主機3、自動進(jìn)位多芯測線7、電極6、可伸縮電纜4、無窮遠(yuǎn)電極5。主機3用于對整個系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理及成圖分析等。自動進(jìn)位多芯測線7、可伸縮電纜4分別與主機3相連，電極6用皮筋、插拔夾或插頭固定在自動進(jìn)位多芯測線7上，無窮遠(yuǎn)電極5用皮筋、插拔夾或插頭固定在可伸縮電纜4上。如圖4(a)所示，以6個電極為例，為體現(xiàn)本發(fā)明的特別之處，自動進(jìn)位多芯測線7改變了傳統(tǒng)“一條線式”電纜連接方式，內(nèi)部測線呈“楔形”分布，其間為6個公母頭航插，一段“母頭航插8、楔形測線9及公頭航插10”組合對應(yīng)連接一個電極(6#、5#、4#、3#、2#、1#)；電極個數(shù)N的選擇可根據(jù)巷道掘進(jìn)工作面的探測具體而定，公母頭航插段數(shù)量N或電極個數(shù)N為距掘進(jìn)迎頭面最遠(yuǎn)探測目標(biāo)距離除以電極間距并取整。如電極間距為10m，最遠(yuǎn)探測目標(biāo)距離為63m，兩者相除并取整數(shù)為6，即布置6個電極，在6個電極中如需要3個作為供電電極，5個作為測量電極，通過主機切換即可。如圖4(b)所示，當(dāng)一段最靠后的“母頭航插8、楔形測線9及公頭航插10”組合及對應(yīng)連接的電極6#整體搬至到未移動的“母頭航插8、楔形測線9及公頭航插10”組合最靠前的公頭航插上時，自動進(jìn)位多芯測線整體序號結(jié)構(gòu)不變；即搬動的6#電極序號為1，后續(xù)的電極自動進(jìn)1位(1#-2、2#-3、3#-4、4#-5、5#-6)。在具體實施過程中，本發(fā)明的操作步驟為：(1)根據(jù)超前探測距離需求，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，選擇合適的測量方法，如圖1、圖2，包括電阻率法、激發(fā)極化法和自然電位法探測；(2)下井后，鋪設(shè)電纜，將電纜鋪在巷道底板上，電極6固定于自動進(jìn)位多芯測線7上，無窮遠(yuǎn)電極5放置于5倍探測距離后，并將電極置于底板，將自動進(jìn)位多芯測線7、可伸縮電纜4與主機3相連，按下主機電源，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)開始工作；(3)一條測線測量完，數(shù)據(jù)保存后，將布置系統(tǒng)放置于原位等待；(4)等井下工作人員再次在工作面掘進(jìn)完一定距離后，對觀測系統(tǒng)進(jìn)行重新布置，其布置方式為：整體拔下自動進(jìn)位多芯測線7上的最后一段“母頭航插8、楔形測線9及公頭航插10”組合及電極6，將拔下的“母頭航插8、楔形測線9及公頭航插10”組合移至未移動的“母頭航插8、楔形測線9及公頭航插10”組合最靠前的公頭航插上，相應(yīng)向前搬動相對應(yīng)的電極6并安裝好，延長可伸縮電纜，向前移動主機并連接好主機，按下主機電源后，重新設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行測量；(5)測量并保存數(shù)據(jù)后，根據(jù)(3)-(4)步驟進(jìn)行下次作業(yè)。上述僅為本發(fā)明的實施例而已，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明有多種更改和變化。凡在本發(fā)明思想和原則之內(nèi)，作出任何修改，等同替換，改進(jìn)等，均應(yīng)包括在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。