巷道超前（电法）探测的应用现状与存在的问题.pdf

第 2 5卷第 5期 2 O O 6年 5月 煤炭技术 C o a l T e c h n o l o a v Vo 1 ． 2 5， N o ． 0 5 Ma y ， 2 O 0 6 巷道超 前 电法 探 测的应 用现状 与存在的问题 高致宏 ，闫 述 ，王秀臣 ，张 卜 1 ． 煤炭科学研究总院 西安分院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ；2 ． 江苏大学，江苏 镇江 2 1 2 0 0 2 摘要 巷道超前 电法 探测在地下工程尤其是煤矿巷道掘进的地质预报方面有着广阔的应用前景和现实需要 ， 文中介绍了该方法的工作机理、 解释方法和应用现状， 就其中存在 的几个问题做了分析并指出了该方法需要突破 的技术方向。 关键词 超前探测；电法勘探；地质预报 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 0 6 0 50 1 2 00 2 Ap p l i c a t i o n S t a t u s o f Ad v a n c e De t e c t i o n wi t h El e c t r i c M e t h o d i n Un de r g r o u n d La n e wa y a n d Di s c u s s i o n Ab o u t S e v e r a l I s s ue s GA0 Z h ih o n g ，YAN S h u ，W ANG Xi uc h e n ，ZHANG P uwe n 1 ． C o a l S c i e n c e R e ．a r c h G e n e r a l I n s t i t u t e X i ’ a l l B r a n c h ， X i ’ an 7 1 0 0 5 4 。 C h i n a ； 2 ． J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e i ang 2 1 2 0 0 2 ， C h i na Ab s t r a c t Ad v a n c e d e t e c t i o n and i t ’ S g e o l o g i c a l i n t e r p r e t a t i o n w i t h e l e c t ri c me t h o d s i n u n d e r g r o u n d l ane w a y h a s a b r o a d a p p l i c a t i o n p ros p e c t s a n d p r a c t i c a l n e e d s． e s p e c i all y i n mi n e ．A g e n e r al i n t r o d u c t i o n o f t h e e l e - me n t s ， e x p l a n a t i o n w a y s and t h e a p p l i c a t i o n s t a t u s o f t h e me t h o d a r e g i v e n i n t h e a r t i c l e ，l a t e r ，a s e ri e s o f a n aly s i s a b o u t s o me i s s u e s i s d i s c u s s e d t o o，i n t h e e n d，t h e a u t h o r p o i n t o u t t h e d i r e c t i o n o f s o me t e c h n o l o g y b r e a k t h r o u g h o f me t h o d． Ke y wo r d s a d v a n c e d e t e c t i o n ；e l e c t ri c e x p l o r a t i o n me t h o d；g e o l o g i c al f o r e c a s t s 1 问题的提 出 解 释 掘 进 头 前 方的 地质 异 常 体 。 在矿山与地下工程的巷道掘进过程中， 经常需要对掘进 头前方一定距离进行地质预测预报； 因此 ， 巷道掘进头超前 探测在实际工作中有很大的现实需要。按照不同的工作机 理 巷道超前探测也有多中物探方法， 其适用于不同的地质 目的探测， 国外利用弹性渡超前探测地质构造在地下工程中 应用较为广泛 ， 也有 比较先进的仪器设备， 国内有几家单位 在， r 展了瞬变电磁法在地下巷道超前探测方面的研究 ， 而研 究和应用更多的是直流电法 在地下巷道的 超前探测 ， 文中 仅就直流电法 巷道 超前探测在煤矿 中的应用现状和有关 问题做些探讨。 2 工作机理 国内电法 巷道 超前探测一般采用直流工作方法 ， 其基 础理论仍然是 稳恒 点电源作用下地质异常体的激励反映 ， 因而与常规直流电法并无本质差别， 只是应用的环境和工作 目的有所差异而已。根据有关资料， 电法 巷道 超前探测从 2 0 世纪 8 0 年代后期开始 ， 随着我国矿井直流电法的进步而 发展起来 ， 工作中大多使用单极 一偶极装置， 即利用点电极 A供电， 电极 B置于无穷远处， 测量电极 M N在掘进头后方反 向一定范围观测点电源所产生的等电位球面异常， 据此推断 3 解释 方法 月前较为简单实用的解释方法是几何交汇法来确定地 质异常体的位置。该方法首先有一个重要假设， 即假设巷道 掘进头前方存在一个规模可观 以引起明显电位异常的最小 规模为限， 而且以低阻地质体较为有利 地质异常体 ， 则该低 阻地质体将引起点电源的球型等势面发生畸变， 畸变等势面 的半径可以提供低阻地质体距点电源的远近距离信息， 利用 多个不同点电源分别建立稳定电场 ， 则可以利用地质异常体 到各个点电源的距离信息在掘进头前方空间做简单的几何 交汇 ， 从而确定地质体在掘进头前方的位置和范围。 全空间层状介质点电源作用 F 地质异常体的响应 ， 其 演数值模拟实现起来并不难， 但与之相应的反演解释就有相 当难度， 目前的 电法 巷道超前探测资料解释一般还很少有 做反演解释的。 4 应用 现状 1 仪器装备 由于该方法在理 论上仍属于常规的直流 电法探测， 故对仪器硬件没有特别要求， 只要能满足地下巷 道 作环境与，篮全条件 、 具备相当的抗干扰能力和足够的信 噪比即可 ， 国内煤炭科学研究总院西安分院就研制生产了多 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 一O 6 ； 修订 日期 2 0 0 6 一o 4一l O 基金项 目 煤炭科学研究总院青年创新基金项目资助， 项目编号 2 0 0 4 Q N 3 7 作者简介 高致宏 1 9 6 9 一 男 ， 陕西周至人 ， 1 9 9 2 年毕业于中南工业大学勘察地球物理专业， 学士学位， 现为煤炭科学研究总院 西安分院高级工程师， 长期从事煤田水患探测预报的研究与应用工作， T e l 0 2 98 7 8 6 2 1 7 7 。 维普资讯 第 5 期 高致宏， 等 巷道超前 电法 探测的应用现状与存在的问题 1 2 1 种型号的适于煤矿井下使用的仪器。 2 工程应用 生产实际中对电法 巷道 超前探测的巨 大需求促进了该方法的应用与发展 ， 仅在我国各地煤矿生产 中， 每年就应用达数百次之多， 在小构造和水患探测预报方 面发挥了积极作用， 有许多比较成功的应用实例， 也有不少 相关的科技论文发表 ； 但随着大范围多频次的应用， 暴露出 方法理论研究和资料处理解释方面的局限性。 5 存在问题 5 ． 1 异常主要位于地质异常体附近、 异常幅度小、 扑捉困难 电法巷道超前探测建立在全空间点电源电场分布理论 基础之上， 受地下空问限制， 反方向移动观测电极观测点电 源等位球面的异常特性， 而目的是探测掘进头正前方地质异 常体， 所以在理论上必须计算正前方地质异常体的在点电源 作用下而产生的稳态场， 即该地质异常体引起的电场畸变在 多大程度上能够改变点电源正常的电位分布， 现有精度的仪 器能否观测得到这种电位的分布异常 ， 这些直接决定了超前 探测的有效性和有效距离。根据数字模拟的结果 ， 地下点电 源稳恒电流场中， 异常体引起的电位等值线的变化主要在异 常体的附近， 也就是说在反方向上点电源电位分布的畸变程 度是微弱的， 要观测捕捉到这种微弱变化 ， 与一般的三极测 深 、 四极测深或剖面测量相比微弱异常扑捉难度更大， 因而 从理论上讲， 超前探测的有效距离将受到很大限制。 v， m 图 1 地 下 2 0 0 m处点源 电位 的平剖面 大地电阻率 1 0 0 O m 取大地电阻率为 1 0 0 D a n ， 将点电源置于地 F 2 0 0 m处， 叮以计算出地下点电流源 A产生的稳恒电流场平剖面的等 电位图 图 1 。可以看到， 在点电源所在的平剖面上等电位 线为一组同心圆。当在点电源 A左方 6 0 m处放置一个电阻 率为 1 0 l 2 m的低阻异常体时 ， 算得的异常响应表示于图 2 。 异常体对球壳等电位线的影响表现在 异常体周围电位等值 线畸变最大， 离开异常体越远则电位等值线畸变越小。从总 体上看， 球壳等电位线在异常体附近表现出了异常体的低阻 特性 吸引电流 。但如果没有条件考察总体等电位线的变 化， 只从局部来看， 则容易对异常体的电性及位置发生误判。 例如， 单独观察图2点电流源 A右侧与异常体相对位置的等 位线 这正是电法超前探测的工作方式 ， 其形态就与高阻异 常体引起的变化相似。 5 ． 2 真假异常识别与多解性问题 按照 目前的理论与工作方法， 如果掘进头后方存在地质 体， 则该地质体距点电源有距离优势， 同等地电特性条件 F， 它的响应 相对于超前探测 目标体称之为假异常 对观测异 常 总异常 的贡献率要大于掘进头前方地质体的响应 真异 常 ， 从而为真异常的识别、 分离和解释增加了困难， 目前的 资料解释中， 一般先排除假异常， 主要靠已知信息柬帮助， 人 为干预成分大而非数据处理的方式来实现 2 0 0 1 0 0 ．、 1 0 0 2 0 0 图 2 地下2 0 0 m平面的异常体响应 大地电阻率 1 0 0 D a n ， 异常体 4 0 1 ／ 1 40 m 40 m 位于点电源 A左方 6 0 m。 电阻率 1 0 Om 5 ． 3 对前方异常体的产状判断缺乏足够的地质信息 巷道 电法超前探测受施工空间限制， 数据采集量有 限， 提取地质信息当然受其限制， 全空间概念使得问题更为 复杂化， 日前的资料处理与解释仅能判断巷道前方是否存在 地质异常体以及地质异常体所处位置和延巷道走向 J 的宽 度， 这在许多情况下是不够的， 例如对地质异常体的i维产 状信息无法解译， 生产实际中常常需要知道地质异常体在乖 直巷道的二维平面 上 - 的延伸状态 ， 既 巷道 电法超前探测不 仅耍做延巷道走向上的解释， 也有需要在离开巷道的附近一 定区域做三维地质推断 6 发展方 向 超前探测技术耍有实质性的较大发展， 必须在以下几个 方面有所突破。 首先， 理论需要创新 ， 目前的超前探测理论有一定的局 限性 ， 并给解释工作带来许多困难 ， 有学者提“ j 交换场点与 观测点位置， 从而增加有用信息的在异常中的贡献； 其次， 数 据处理技术和解释方法需耍突破， 如真假异常识别 、 有『 干 j 异 常的提取分离 、 地质异常体的三维推断等具体技术有待提 高； 再次， 地下_T程中干扰信号很大， 需要依赖高精度 、 高抗 干扰性的仪器， 加大超前探测 的有效距离， 从 著提高解 释的准确性 与精度也足努力的莆要方向。 参考文献 [ 1 ] 李玉宋． 矿井 电法超前探测技术 [ J j ． 煤炭科学技术， 2 0 0 2 ， 3 0 2 1 3 ． [ 2 ] 王圆华， 杨居友， 于景泉， 井下直流电法住掘进丁作而超前探测 中的J 越 用[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 3 ， 3 I 々 辑 4 2 4 5 ． [ 3 ] 程九龙， 和， 于师建． 巷道掘进f f l 电阻率法超前探} lIlIl 原理与 应用 _ J ] ． 煤 l { 1 地质 j 勘探 ， 2 0 0 0， 2 8 4 6 06 2 ． [ 4 ] 周熙襄， 钟本善． 电法勘探数值模拟技术l Mj ． 成鄙 四川科学 技术 i { J 版} 十， 1 9 8 6 维普资讯