电法超前探测技术与矿井含水构造精细探测

1、技术经验煤矿安全(2006-09)29电法超前探测技术与矿井含水构造精细探测高致宏,王信文,何继宾,闫述2(1.煤炭科学研究总院西安分院,陕西西安710054;2.江苏大学,江苏镇江212002)摘要:较为详细地介绍电法超前探测的基本原理、施工方法技术、资料处理技术以及研究应用现状,。关键词:电法超前探测;精细探测;矿井;含水构造中图分类号:TD741文献标识码:B-()-0029-031电法超前探测理论1.1为基础。假设点电源(电流I)位于一个全空间均匀介质0中,则点电源的电场分布特征具有三维全对称特点,在距点电源距离为r处:电流密度j0=I/r2,电场强度E0=r2,电位U0=r,等4I0

2、/4I0/4位面是以点电源为球心的同心球面,电位大小决定于3个因素,即点电源供电电流的大小I、介质的导电性,有了I、0以及观测位置r0和r就可以计算出空间任意一点的电场分布特征。实际工作中点电源所处的介质肯定不是各向均匀性的,而电法探测正是要探测并解译这种不均匀性,如果供电电流I已知,而电位U和位置r可以观测和测量,则利用四者之间的关系可以推算出,是反映介质导电性差异的基本参数,也是电法探测利用的基本参数。1.2电法超前探测基本原理相对于全空间均匀介质中点电源电位分布的同心球面,在非均匀介质中,等位球面的某个位置将发生某种程度的畸变而成为一个等位曲面,这将决定于介质中异常体的位置及导电性强弱。

3、假设异常体处于有利的空间位置、具有适当的规模并与周围介质存在足够明显的导电性差异,则在异常体的不同边界(假设为内侧与外侧,也是其与周围介质的界面),等位面会有明显畸变,即异常体内侧与外侧电位有显著差异,这种差异通过仪器观测和有关计算可以捕捉,基于此电法超前探测得以基本的理论支持。电法超前探测原理示意图如图1。在A点供电,测量电极M、N的电位差是过M、基金项目:煤炭科学研究总院青年创新基金资助项目(2004QN37)图1电法超前探测原理示意图N的2个同心球壳等位面的电压降,在全空间条件下,球壳体包含了供电点前后左右上下等各个方向的体积。显然,前方的异常信息也可以反映到MN处。如超前勘探原理图所示

4、,巷道堵头内某位置的异常会使测量电位差曲线产生畸变,但该畸变在堵头内部并不能直接测量,图1中虚线所示。由于体积效应,畸变的实质是球状等位面发生畸变,既MN所在的球壳发生变形,根据等值性原理,在掘进巷道内的测点上也可以观测这种变化,所不同的是幅度可能会降低,如图1中实线所示。2电法超前探测的施工方法技术电法超前探测适宜于地下工程巷道或矿山巷道的掘进头前方探测,大多使用单极-偶极装置,即供电电极A置于巷道掘进头,供电电极B置于无穷远处且一般要求AB>5倍的超前探测距离,一对测量电极M、N在掘进头后边反方向一定范围逐点移动,观测点电源所产生的电位异常,据此推断解释掘进头前方的地质异常体。为了减

5、少多解性、提高分辨率,通常采用多(供电)源组合方式观测,增加数据采集量和信息含量。如图2所示,布置好供电及测量电极后,供电电极、无穷远电极及仪器固定不动,对于某一个观测点(即一个M、N组合位置),供电电极A1、A2、A3依次30煤矿安全(Total382)技术经验反映(KD接近于1);随着供电电极距的增大,矿井电测曲线表现为全空间效应和巷道空间影响的综合反映,巷道影响系数KD介于l与2之间,而当供电电极图2巷道掘进头电法超前探测的施工示意图距与巷道横截面的边长相比足够大时,巷道影响可忽略不计,此时KD趋近于2,实际验证表明该公式能较好的起到全空间校正作用。第三步:巷道后方、顶底板及侧向异常的分

6、析与分离。集,巷道后方,假异常”,对前方异常的识别造成困难,若不处理,将会使解释结果发生偏差甚至错误。这种“假异常”的特征是:在同一个测量点,不同供电电极产生的电场具有同时放大或同时缩小的关系,即信号的强弱受供电电极位置的影响较小,而主要受测量电极处的地质异常体影响,根据此特点,可以采用相应措施对其予以滤除,从而使前方有用异常得以显现。由于全空间的概念,顶底板与侧向异常的性质及表现形式是相同的,他们与巷道后方异常有相似的特点,也可以采取类似的方法予以剔除。第四步:将经过校正和假异常分离剔除的电位数据转换成较为直观的视电阻率参数进行成图与分析。经过以上全空间校正和假异常分离以后的数据,基本可以反

7、映巷道前方地质体的相关信息。以巷道掘进头为参考点,做每个供电点的视电阻率剖面图,采用综合交汇等方法判定异常位置并圈定其范围,最后给予相应的地质解释。4矿井含水构造的电法超前探测供电,可以观测到测量电极M、N分别对应与它们的3组电位差,这些电位差是以供电点A1/A2/A3为球心以经过M、N的2个等位面之间的电压降,如果掘进头前方存在地质异常体,则它的相关信息肯定包含于该电位差中。由于电位差的大小与供电电流大小、观测位置及介质导电性有关,不便直接比较,一个综合参数,但却不等同于巷MN,重复前面的方式观测,可以得到掘进头前方更远距离的地质信息,直至取得掘进头前方一定宽度范围的地质信息,到达超前探测目

8、的。3电法超前探测资料处理与分析电法超前探测的资料处理与传统的直流电法三极工作装置相比并无本质上的区别,正如前文所述,按照直流电法相应的公式即可计算出与巷道掘进头前方位置对应的视电阻率,尽管该视电阻率是一个综合值,资料分析的关键在于对其进行分析与判断,寻找分离出巷道前方异常体的贡献部分,大致可以分为以下几个步骤。第一步:数据整理与计算,即对实测数据进行全面的整理检查,剔除明显受各种因素干扰而产生的错误数据。第二步:全空间校正,由于电法超前探测理论建立在全空间概念之上,因而巷道空间的影响就不能忽略。巷道空间影响的实质在于它部分地改变了电流场的分布状态而使其不完全满足全空间概念,致使电测曲线的特征

9、发生了明显的变化。有学者提出如下的经验校正公式,ps(理论)=KDps(实测),式中校正系数KD=巷道横截面积。根据稳定电流场的分布理论和直流电法勘探体积的概念,当供电电极距与巷道横截面的边长相比较小时,受巷道空间的排斥作用、电流场呈半空间分布,此时测得的矿井电测曲线主要为半空间效应的1+e()2在矿山巷道掘进过程中,含水构造的存在往往伴随有相当程度的地质灾害威胁,需要对掘进头前方一定距离的含水构造进行探测,电法超前探测相对于其它地面物探手段,更为接近探测目标体,具有距离优势,尤其是对含水构造可以做到较为准确的精细探测,可以对潜在的水患灾害做到较为切合实际的地质预报,正是适应了这种现实需要,因

10、而具有广阔的应用前景,国内多家科研院所正在对此进行深入研究。在一些受水患威胁较大的矿区,如开滦、邢台、淮北、徐州、兖州等地的众多煤矿,煤炭科学研究总院西安分院做了大量的研究性试验与推广应用,并取得了相当良好的地质效果。,AB为供电极距,S为技术经验煤矿安全5电法超前探测的研究应用现状与经验总结5.1研究与应用现状(2006-09)31扰),因此,一方面最好创造良好的工作环境,另一方面数据采集时要善于判断干扰,并采取有效的应对措施,从而保证数据质量。在此推荐一组较为理想的观测系统设计:观测设备:DZ-IIA直流电法仪、超前探测距离100m、供电电极间距A1A2=A2A3=4m、测量电极间距MN=

11、4m、无穷远AB=500m、观测点间距4m,基本可以保证2m以上宽度有意义的地质异常体不被漏掉。资料解释阶段:,干扰因素比较多,许多,给去伪存真带来相当困难,加上各种物探方法都有多解性的问题,所以异常分析定性时,要掌握尽可能多的已知资料,掌握后方异常、侧向异常、前方异常各自的不同特点,总结出一般规律,结合工作区的具体特点,把握异常定性的大方向,利用排除法去掉疑似的假异常,然后再做细致的分析与定量解释,这样才可能得出较为符合实际的探测结论。另外,就目前仪器装备水平和资料解释水平而言,一般情况下电法超前探测的有效距离以80100m为宜,更远距离的解释成果可做参考。6结语尽管电法超前探测的研究与应用

12、已取得了相当的成就,但不管是理论研究还是实际应用都存在许多需要进一步研究和解决的问题。主要表现在两个方面:第一,理论研究有待深入与完善,目前的资料处理中对干扰异常(巷道后方及侧向异常)缺乏严密有效的滤除措施,常用的手段仅限于较为简单的比值或减差处理,达不到量化处理和剔除的水平,另外受采集信息量的限制,前方异常的解释只有位置和宽度概念,离三维解释相差较远,有差距。第二,人为干预成分较大,对工作人员技术要求较高推广和应用效果受到限制。5.2经验总结基于长期从事电法超前探测研究与应用工作,我们对大量成功与不成功的实例做了比较细致深入的分析,总结出一些经验:数据采集阶段:供电电电极间距大小影响前方交汇

13、点高度和宽度,极距越大异常包含顶底板及侧帮信息越多,极距越小异常包含顶底板及侧帮信息越少,因此供电电极间距选择要合适;观测点间距的大小决定采集信息的密度,间距过大可能会漏掉有效异常,间距过小不但加大了工作量也不利于异常区分,因此观测点间距选择也要合适;测量电极距大小决定空间交汇球壳的厚度,测量电极距大测量信号越强,利于数据采集,但是前方异常的反映会减小,模糊了异常的识别,又降低了勘探精度,既要有足够的观测信号又要保证勘探精度,测量电极距大小的取舍需要二者兼顾;信号和干扰的识别,在矿井巷道开展超前探测,干扰因素很多,既有环境因素(如巷道后方积水、浮渣堆积、铁器电器等),也有干扰信号(各种电器设备产生的工业电流及电磁场干本文介绍了