巷道掘进中电阻率法超前探测原理与应用

通过建立超前探测实际地电模型,进行单极—偶极法理论视电阻率曲线的计算,探讨了巷道前方存在低阻地质异常体的电阻率响应特征,提出了工作方法和解释方法,结合具体实例介绍了应用效果。      

钻杆供电直流电法超前探测快速反演

在传统直流电法超前探测施工中,通过三个不同位置的电极对地供电,测量巷道后方一段距离内电位差,由此得到迎头前方电阻率变化的一维结果。由于一维解释结果具有不确定性,为此提出了一种基于钻杆供电的二维反演方法:即将迎头前方三维空间以柱坐标形式剖分,建立前方特定区域电阻率与测量异常电位差的近似线性关系,根据不同钻进深度测量值构建反演代数方程组,通过解方程快速反演以获取前方电阻率的二维分布。采空区模型与陷落柱超前探测快速反演以及实例表明,钻杆供电直流电法超前探测快速反演方法能比较准确反映异常电阻率在两个方向的方位信息,提高反演结果的准确性。     

矿井直流电法全空间电场分布数值模拟及影响因素

矿井直流电法超前探测效果影响因素较多,为讨论井下不同因素对地下全空间电流场分布的影响,运用Ansoft Maxwell有限元软件,分别建立均匀介质、巷道开挖及低阻异常层状模型进行正演模拟。结果表明:受巷道开挖影响,全空间电场由同心环状分布变为螺旋状分布,且受巷道空腔影响,巷道顶板电场强度、电流密度明显小于底板,靠迎头一侧电流、电流密度在迎头附近出现跳跃增大,呈现电流集中现象。由于地电断面的存在,电场强度和电流密度在分界面处均发生折射现象。受低阻体的"吸引"作用,低阻体内部电流沿其走向流动,电场强度降低而电流密度升高;低阻体外部电场强度升高,电流密度降低;并在异常体边角处出现明显的电流集中现象。受此影响,整个区域视电阻率均有所下降。与理想状态等电位相比,由于巷道及异常体的存在,电场强度和电流密度差值等位线略有畸变,导致掘进迎头前、后等电位面距供电电极并不完全相等,掘进迎头前方小于后方。在实际运用直流电法进行巷道超前探测时,应综合考虑顶底板岩性、厚度及低阻体电阻率、规模及与迎头距离等诸因素对低阻体实际位置的影响。      

基于非结构有限元的电阻率超前探测中旁侧异常影响特征研究

为了进一步探究旁侧异常体在巷道电阻率超前探测中的影响规律,提高探测精度,采用基于对偶加权后验误差估计的自适应非结构有限元法进行三维正演研究。首先通过无限大垂直板状体模型验证了该方法在超前探测模拟中的适用性和准确性,建立无旁侧异常体模型模拟巷道中的超前探测响应;然后分别对高低阻旁侧异常体的方位、与巷道h和掌子面的距离、巷道大小、不同供电和接收方式以及在多层介质中对超前探测的影响进行了数值模拟。结果表明：巷道前方异常体的实际位置可由异常曲线极值推断出;高低阻旁侧异常体的响应总体上不会掩盖巷道前方的异常响应特征,但会使对应范围内的异常曲线出现凸形或凹形畸变,畸变位置与实际位置相符合;巷道空腔的存在加强了底板异常响应,不同巷道大小对顶板异常影响不同,总体上不会影响巷道前方的异常响应;多层地层中,异常响应曲线仍能反映出旁侧异常体的实际位置,巷道前方的异常响应特征是否会被掩盖要视各层电阻率大小情况而定。干扰异常的辨别需要结合实际进一步开展研究。     

资源整合矿井综合方法超前物探技术应用研究

某资源整合矿井,可开采煤层为3~#、9~#、15~#,3~#煤层已属于老窑破坏区,9~#煤可采范围内也存在多处采空区,15~#煤比较完整。为安全开采9~#煤层,在该矿首采工作面轨道顺槽采用了矿井瞬变电磁法、矿井直流电法、矿井地震波法三种方法进行超前探测:其中横、纵向上的瞬变电磁超前探测结果表明,巷道迎头前方45 m之外存在低于25Ω·m的低阻异常;直流电法超前探测在稍远处也显示了一低阻为20~40Ω·m的异常;同时矿井地震波法超前探测在迎头30~45 m处存在一强反射界面,综合解释为迎头前方存在采空积水区。经矿方钻探验证,钻进至迎头正前方45 m及垂直右帮65 m处均有出水现象,出水量达10 m~3/h,经水质分析为采空区水,可见综合探测结果与实际揭露基本吻合。     

巷-孔瞬变电磁法在探测含导水构造中的应用

掘进迎头超前探水钻要探清楚含导水构造的空间位置比较困难。常规矿井瞬变电磁在含导水构造探测方面得到了广泛应用,但其存在巷道干扰因素较多等问题。巷-孔瞬变电磁三分量探测技术在钻孔中使接收位置更靠近异常区,降低了巷道内的电磁干扰对测量结果的影响,可针对性地对钻孔附近异常进行三维探查,具有探测精度高、对含导水构造反映敏感等优点。以某煤矿6煤西翼辅运大巷为例,利用掘进工作面超前探放水钻孔,使用巷-孔三分量瞬变电磁超前探测技术探测掘进工作面迎头前方含导水构造的范围及位置。结果表明:巷-孔瞬变电磁探测法可以探测钻孔径向30m以内的含导水地质构造的空间位置与异常大小,效果良好。     

矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟

为了解决常规矿井瞬变电磁超前探测方法受矿井外界干扰影响较大,异常体探测定位不精确的问题,提出一种在井下钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法,对接收线圈所处水平面不同位置、异常体不同方位的异常响应特征进行数值模拟。分析钻孔瞬变电磁探测原理,进行钻孔发射线圈与接收线圈的试验设计以及施工设计,对均匀全空间模型、均匀全空间异常体模型、异常体位于钻孔不同方位的三分量异常场响应特征进行系统分析。在低阻异常体与线圈垂直时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最大,随着低阻异常体逐渐平行于接收线圈法向,异常响应逐渐减小,当低阻异常体完全平行于接收线圈法向时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最小。通过以上认识,可以根据钻孔径向不同象限位置的异常场三分量组合形态不同,判断异常体所在钻孔的方位。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向,以孔口所在平面右向为X轴正方向,下向为Y轴正方向的坐标系下,钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“近似正弦曲线”或“近似反向正弦曲线”形态,通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限。通过这样的规律,可分析三维空间条件下异常体的空间位置及赋存状态。通过钻孔瞬变电磁超前探测异常响应特征的分析,可...     

坑道掘进瞬变电磁超前探水技术应用分析

坑道掘进前方含水体一直是影响安全生产的主要因素之一,瞬变电磁法在超前探水预报中发挥了重要作用。由于坑道全空间探测条件的特殊性,其测试布置方式对探测结果判断产生一定影响,主要表现在干扰因素剔除、电阻率深度计算、异常体空间判断等内容。为了获得较为可靠的探测结果,通过改进测试布置方式,增加中心线方向竖直测试剖面,与坑道迎头顶板、顺层、底板剖面一起形成四断面法超前测试,增强了对前方含水异常体的空间判断能力。通过与瞬变电磁超前常规探测方式相对比,认为四断面法利用横断面与纵剖面相结合,对地质体判断的优越性较强。现场应用结果表明,该方法在预报测区前方地质异常体时,以低于10 ?•m为低阻异常区判断标准,具有一定的可靠性,能为坑道掘进安全生产提供有效指导。     

隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究

含导水构造和岩溶裂隙水的探查是亟需研究和解决的关键问题。直流电阻率法以其对低阻体反映敏感、分辨率高等优点被引入到隧道掌子面前方含水构造的预报工作中。首先,推导出了无限全空间中球体含水构造直流电法超前探测的解析解公式,并在利用有限元数值方法进行正演分析的基础上,借助“比较法”将含隧道腔体的三维空间中超前探测视电阻率数据转换为无限全空间中的数据,并探讨了由MN电极附近电阻率不均匀所造成的干扰以及识别和去除这种干扰的方法。然后,设计了基于全空间球体含水构造超前探测解析公式的阻尼最小二乘反演方法,对隧道中多组球体含水构造模型进行了较为成功的反演。另外,探讨了其他形状的有限体积的含水构造超前探测异常规律,提出了“等效球体”的概念,亦在全空间球体含水构造超前探测解析公式的基础上设计了快速反演方法。最后,利用物理模型试验验证了有限元数值正演方法和阻尼最小二乘反演技术的可行性和有效性,为实际工程中含水构造的直流电法超前预报奠定了基础。     

高密度电阻率法在勘察黄土洞穴及岩溶中的装置适用性研究

为了探究高密度电阻率法各种装置的适用性,基于有限差分法进行高密度电阻率法二级排列、三级排列、温纳装置、偶极装置、微分装置、偶极—偶极装置、斯伦贝谢装置等7种装置高、低阻异常体正演模拟。通过模拟结果可以看出,偶极装置对于低阻异常体和高阻异常体的探测效果均比较好,温纳装置仅适用于高阻异常体的探测以及高低阻异常体分界面的划分,其他装置模拟得到的高、低阻异常体的形态或位置与实际情况有一定偏差。将模拟结果运用于黄土洞穴、岩溶勘察中,取得了较好的探测效果,可供类似工区参考使用。     

采空区含水性探测的综合电法勘探应用研究

以晋北某矿区为例,选择使用以重叠回线瞬变电磁法为主,2个AB极距的直流电阻率剖面法为辅的物探方法,开展采空区含水性探测应用研究.复合对称四极直流电阻率剖面中小的AB/2极距为40米,大极距为160米,研究中分别对对固定MN极距20米与MN/AB比值1/4进行了对比试验,并就大极距AB为320米时的不同MN视电阻率进行了对比研究,结果表明直流电剖面法受地形和MN接地电阻的影响较大,而复合对称四极电阻率剖面的视电阻率比值可以较好地减少这种干扰.实例表明瞬变电磁法在采空区含水性探测中适合全区大面积开展,在初步解释得到含水重点异常区后再进行对称四极复合电阻率剖面探测,并利用复合对称四极的视电阻率比值法确定采空区富水性,其成果会更可靠.     

隧道瞬变电磁克希霍夫偏移成像与地质灾害探测

隧道绿色施工不仅需要预报工作面前方突水突泥等低阻异常,更需要查明灾害体的地质构造,为灾害预警与防治提供保障。传统的瞬变电磁解释方法仅能够提供单一电阻率信息不能满足隧道地质灾害治理要求。因此,将虚拟波场成像技术引入到瞬变电磁隧道探测技术中,期望实现灾害体电性与结构综合解释。首先,根据波场变换原理将瞬变电磁数据转换到虚拟波场;然后,利用电阻率成像算法计算工作面前方电阻率建立虚拟波场速度模型,利用波动方程克希霍夫积分解进行波场延拓实现瞬变电磁虚拟波场偏移成像;最后,综合电阻率与偏移成像结果对工作面前方地质体进行解释,判断地质灾害体的电性与构造特征。分别采用充水溶洞、充水断层两类常见灾害模型对算法进行验证。充水断层模型电阻率成像结果可以识别工作面前方低阻异常,但是异常分布范围略有增加,且不易判断倾斜角度;而偏移成像结果有效地识别异常的边界位置且对应准确,更易容判断异常倾斜方向。充水溶洞模型电阻率成像结果可识别溶洞的低阻异常与位置,但是异常形态与实际模型略有偏差;偏移成像结果圈定了模型的前后边界且与模型吻合较好。实测数据偏移成像结果有效圈定了低阻异常位置与裂隙形态,预测结果与已知出水孔情况相符。理论模型与实测数据结果表明,虚拟波场克希霍夫偏移成像结果既包含地质灾害体的电阻率分布,又能识别灾害体电性分界面,为地质灾害预警与防治提供了丰富的地质信息。      

钻杆供电超前探测数值模拟研究

隧道/煤矿巷道掌子面前方致灾地质因素探查一直是困扰安全掘进的工程难题。为解决超前探测存在的问题,提出了一种基于钻杆供电的超前探测方法。该方法利用掘进钻杆作为供电电极,将激发电流"传输"到迎头前方,在巷道/已有的钻孔内布设测量电极,接收电位信号。数值模拟结果表明,与传统的三极探测方法相比,基于钻杆供电方法极大提高了测量异常的幅度,大大提高了测量结果的准确度和可信度。     

地震超前探测技术在老窑采空区探测中的模拟与应用

巷道前方的地质异常与巷道内地震测线存在角度关系,依据地震超前探测原理,其反射波时距曲线为一直线且呈现负视速度特征。据此建立一采空区地震超前探测模型,以研究采空区条件下检波器后置观测系统的地震波场传播特征。通过对全空间地震波场的分析发现,距离震源越远的检波器越先接收到迎头前方异常界面的PP波与S-S波,为此采用τ-p域滤波或F-K域滤波对地震波场进行分离解释。以山西临汾某矿井2号煤层老窑采空区超前探测为例,通过反射波提取、绕射扫描及叠加偏移对巷道前方进行成像,解释迎头前方35m处存在异常,经钻探验证其为老窑采空区,取得了较好的应用效果。     

基于不同装置的二维高密度电法勘探效果比较与分析

为比较分析高密度电法不同装置对探测异常地质体的效果,通过建立高阻异常体和隐伏直立低阻体地电模型,正演计算了不同装置类型下的视电阻率,并加噪进行二维电阻率反演。各种装置的反演结果表明：在探测地下高阻异常体时,温纳α、β、γ装置优于其他装置,揭示异常位置与形态相对较好;对于隐伏直立低阻体而言,温纳p装置和三极装置探测效果好,其中温纳β为最理想装置,实例验证表明,温纳α、β、γ装置在探测地下防空洞时体现了其装置的优越性,验证了理论模拟结论的正确性。     

电阻率层析成像技术在琼东北活动断裂探测中的应用

琼东北1605年琼山地震发震的中心区域东寨港东侧发育多组近东西向和北西向的活动断裂,且均为隐伏断裂。为探明断裂的分布位置及其活动性,现采用电阻率层析成像技术将其中琼山-铺前断裂(F8)以及F7、F6、F5共四条,北西走向断裂作为此次探测目标断裂。结合前人水文钻孔资料和断裂分布,在珠溪河北岸和罗豆农场北侧部署了三条电法探测线,结果表明区域沉积地层在三条反演剖面上均可以划分出三层视电阻率梯度带,与钻孔资料对应较好。同样,视电阻率对已知四条活动断裂均有明显特征的低阻异常反映,除断裂F7的倾向解释存在争议外,其余三条断裂解释均得到钻孔验证。     

工作面顶底板富水构造三维立体探测应用研究

通过分析断层、陷落柱等构造裂隙发育区域等富水异常体的瞬变电磁响应特征,结合某煤矿1310工作面的探测实例,介绍了在煤井工作面现场存在大量锚杆、锚网支护及金属液压支架影响情况下的瞬变电磁探测施工参数,并结合该工作面的顶底板视电阻率等值线三维切片图,解释了工作面上下各60 m范围内的富水性:低阻异常在三维视电阻率立体图中表现为2个柱状闭合异常,其中异常A是富水性较强的陷落柱响应,空间方位偏向于顶板;异常B为液压支柱等铁器干扰所致。根据解释结果,在二个异常位置共布置了10个钻孔,经验证与探测结果较吻合。     

球体模型的视电阻率特征及其影响因素的分析

利用计算机模拟技术,以直流电法中二极装置为研究对象,讨论了地下均匀无限半空间中存在球形异常体的测深曲线的异常特征和探测深度问题。这里定义了最小、最大、最佳探测可靠异常极距,并讨论了最小、最大、最佳探测可靠异常极距与球体半径、球体中心埋深、相对电阻率的关系,来说明二极装置在球形异常体条件下的勘探深度。     

MSP技术在任楼煤矿巷道超前探测中的应用

煤矿巷道中的断层、陷落柱和煤岩体结构破碎带等不良地质条件不但影响掘进施工,同时也存在突水、瓦斯突出等安全隐患。断层、陷落柱等地质异常构造与围岩在密度、速度等物性方面存在较大差异,因此可利用多波多分量地震反射法探测煤矿井下异常构造。近两年来,任楼煤矿针对矿井巷道前方的未知隐伏构造做了多次MSP震波超前探测。以Ⅱ7322机巷为例,在巷道j19点前76m处,分别于巷道的左帮及右帮对迎头前方进行了两次超前探查,2次探测解释的2个异常界面位置分别为82m、101m和85m、102m,实际揭露2个断层位置为82m、109m,探测结果与实际基本相符,实现了对掘进巷道内地质构造带的准确超前预测预报。     

直流电法超前探测沙槽模拟实验

直流电法超前探测是研究掘进工作面前方地层电性变化规律,预测掘进面前方含、导水构造的分布和发育情况的一种井下电法探测新技术。本次超前探测实验是通过在沙坑中埋设已知的低阻体,在模拟巷道中布置电极的方式,采用网络并行电法勘测系统将前方已知的物体探测出来。因为资料采集不受外界电流和其他环境的影响,探测结果较为理想,可以较为清楚的反应前方的异常体,验证其电法超前探测的可行性。