礦井掘進(jìn)巷道高密度三維直流勘探方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種礦井掘進(jìn)巷道高密度三維直流勘探方法，包括：步驟10,使用“M”形測線布置對具有水害突水威脅區(qū)域?qū)嵤┑厍蛭锢砜碧剑徊襟E20,刪除受近場效應(yīng)影響的數(shù)據(jù)刪除；步驟30,建立與之相對應(yīng)的地球物理正演模型；步驟40,根據(jù)正演模型，確定反演模型，劃定低阻異常范圍；步驟50,利用鉆探對低阻異常范圍進(jìn)行驗(yàn)證；步驟60,根據(jù)低阻異常范圍和水文地質(zhì)條件，對掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，并作出評價報告。發(fā)明通過對掘進(jìn)巷道進(jìn)行礦井三維高密度直流電法施工，以特有的測線布置方式、電極供電、測量排列方式等，對掘進(jìn)巷道進(jìn)行地球物理勘探。同時利用不同類型的地球物理建模、正反演等，提高物探成果解譯的準(zhǔn)確性。
【專利說明】礦井掘進(jìn)巷道高密度三維直流勘探方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤礦領(lǐng)域，特別涉及一種礦井掘進(jìn)巷道高密度三維直流勘探方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著煤炭資源開采不斷加大，受水害威脅區(qū)域的煤炭資源已經(jīng)基本開采完畢。目 前，構(gòu)造發(fā)育及開采技術(shù)條件復(fù)雜區(qū)域成為煤礦采掘的主要場所，礦井開拓期間遇到的水 害問題日趨嚴(yán)重。井下巷道掘進(jìn)期間遇到的斷層水、裂隙密集帶水、底板灰?guī)r水、頂板砂礫 巖水、老空水等成為主要的水害類型。
[0003] 目前，礦井巷道掘進(jìn)超前地球物理勘探有多種方法，其中應(yīng)用于煤礦超前探測的 方法主要有直流電法、瞬變電磁法、瑞雷波法等，而解決水害問題的主要為電法、電磁方法。
[0004] (1)礦井直流電法屬全空間電法勘探。它以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，在全空間條 件下建場，使用全空間電場理論，處理和解釋有關(guān)礦井水文地質(zhì)問題。超前探測是研究掘進(jìn) 頭前方地層電性變化規(guī)律，預(yù)測掘進(jìn)頭前方含、導(dǎo)水構(gòu)造的分布和發(fā)育情況的一種井下電 法探測新技術(shù)。由于采用點(diǎn)源三極裝置進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集工作，無窮遠(yuǎn)電極對巷道內(nèi)測量 電極的影響可以忽略不計，故其電場分布可近似為點(diǎn)電源電場。由于供電電極位于巷道中， 其電場呈全空間分布，可利用全空間電場理論對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋。根據(jù)點(diǎn)電源場理論分 析，點(diǎn)電源在均勻全空間的電力線呈射線發(fā)散，等電位面為以供電點(diǎn)為球心的球面，電位差 則是以供電點(diǎn)為球心的同心球殼，球殼厚度應(yīng)為測量電極間距。
[0005] 請參考圖1和圖2,均勻介質(zhì)中，當(dāng)A點(diǎn)供電時，測量電極Μ、N所產(chǎn)生的信號是由 于圖中陰影部分的影響，在全空間條件下，該陰影包含供電點(diǎn)前后左右上下等各個方向的 體積。由于陰影所包含區(qū)域的影響可以反映到MN處，顯然，前方的異常信息也可以反映到 MN處。
[0006] 圖3示出了電法勘探原理圖，如圖3所示，堵頭內(nèi)某位置的異常會使測量電位差曲 線產(chǎn)生畸變，但該畸變在堵頭內(nèi)部并不能直接測量，圖中虛線所示。根據(jù)電法勘探的體積效 應(yīng)，畸變的實(shí)質(zhì)是球狀等位面發(fā)生畸變，即MN所在的球殼發(fā)生變形，根據(jù)等值性原理，在掘 進(jìn)巷道內(nèi)的測量點(diǎn)上也可以觀測到這種變化，所不同的是幅度可能會降低，如圖中實(shí)線所 /_J、1 〇
[0007] 實(shí)際上，井下三極裝置探測的是勘探體積范圍內(nèi)包括巷道影響在內(nèi)的全空間范圍 的巖石、構(gòu)造等各種地質(zhì)信息。
[0008] 圖4示出了礦井直流電法超前探測成果圖。從圖4可知，礦井直流電法優(yōu)點(diǎn)：精度 高，受干擾影響小，適合于沿井下巷道進(jìn)行底板巖層富水性二維勘探。礦井直流電法超前探 缺點(diǎn)：探測區(qū)域僅限制于測線前方，僅能對巷道前方60m有效。
[0009] (2)礦井瞬變電磁法（請參考圖5至圖8)是將地面瞬變電磁法應(yīng)用井下，原理完 全一樣。瞬變電磁技術(shù)是我國上世紀(jì)末從加拿大引進(jìn)，瞬變電磁法或稱時間域電磁法（Tim edomainelectromagneticmethods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射 一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡 單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。工作時，在發(fā)射線圈中通以一定波形電 流，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感 應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻 率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減 慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的 地電特征。由于礦井瞬變電磁的特殊適用性，其僅適用于無金屬錨網(wǎng)支護(hù)、人為金屬設(shè)備、 工業(yè)電流影響下的巷道掘進(jìn)超前探測。
[0010] 瞬變電磁法優(yōu)點(diǎn)：體積效應(yīng)小、低阻響應(yīng)靈敏、施工效率高，能穿透高阻屏蔽層，主 要適用于地表中深部水文勘探工作。
[0011] 缺點(diǎn)：抗干擾能力低，受人為設(shè)施干擾影響極大；由于關(guān)斷時間存在而產(chǎn)生淺部 勘探盲區(qū)；全空間效應(yīng)依然存在，探測方向依然受接受線圈外法線方向影響；探測數(shù)據(jù)量 及精度受測點(diǎn)密度限制，存在人為探測盲區(qū)；探測成果基于探測方向限制，僅能提交扇形成 果圖，其三維成圖為后期簡單差值處理；其對構(gòu)造富水性分辨能力較差。
[0012] 結(jié)合以上方法、技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明以直流電法為基本點(diǎn)，以高密度電阻率 方法為技術(shù)手段，通過開發(fā)針對三維超前探測方法，解決井地球物理勘探遇到的下人為干 擾多、工作環(huán)境惡劣、適應(yīng)性強(qiáng)、目標(biāo)明確、準(zhǔn)確可靠等現(xiàn)實(shí)問題。同時結(jié)合水文鉆探、水化 學(xué)等水文地質(zhì)條件綜合勘探技術(shù)，對巷道掘進(jìn)遇到的水害問題進(jìn)行危險性評價，并提出有 效的解決措施、合理的建議要求，保障礦井安全開拓。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種可提高物探成果解譯的準(zhǔn)確性礦井掘進(jìn)巷道高密度三 維直流勘探方法。
[0014] 為解決上述技術(shù)問題，作為本發(fā)明的一個方面，提供了一種礦井掘進(jìn)巷道高密度 三維直流勘探方法，包括：步驟10,使用"M"形測線布置對具有水害突水威脅區(qū)域?qū)嵤┑厍?物理勘探，"M"形測線中的兩條測線布設(shè)于巷道兩幫，一條測線布設(shè)于巷道底板中間位置， 數(shù)據(jù)采集方式采用二極裝置，跑極方式為連續(xù)觀測；步驟20,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，刪除受近場 效應(yīng)影響的數(shù)據(jù)刪除，以免造成解譯資料的假異?，F(xiàn)象發(fā)生；步驟30,根據(jù)井下掘進(jìn)所遇 到的特殊水害類型，需要建立與之相對應(yīng)的地球物理正演模型；步驟40,根據(jù)正演模型，確 定反演模型類型、模型單元尺寸、反演計算方程等，并根據(jù)反演結(jié)果，對掘進(jìn)巷道超前探測 進(jìn)行解譯，劃定低阻異常范圍；步驟50,利用鉆探對低阻異常范圍進(jìn)行驗(yàn)證，并對富水區(qū)域 進(jìn)行疏放水或斷層破碎區(qū)域進(jìn)行注漿封堵治理，查明富水區(qū)的水文地質(zhì)條件；步驟60,根 據(jù)低阻異常范圍和水文地質(zhì)條件，對掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，確定富水異常 區(qū)的水源類型、與其他含水層的水力聯(lián)系、突水危險性評價、突水治理措施及意見等，接觸 巷道掘進(jìn)期間的水害威脅，并作出評價報告。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟30包括：步驟31，根據(jù)掘進(jìn)巷道的地層產(chǎn)狀、巖性、地球物理性質(zhì) 參數(shù)建立基礎(chǔ)模型；步驟32,根據(jù)掘進(jìn)巷道遇到的水害類型，建立超前探測三維地質(zhì)模型， 同時確定模型中單元的尺寸。
[0016] 進(jìn)一步地，三維地質(zhì)模型包括斷層地質(zhì)模型、老空水地質(zhì)模型、小型背斜構(gòu)造地質(zhì) 模型、底板灰?guī)r巖溶地質(zhì)模型等。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟40中，根據(jù)基于最小二乘法的圓滑約束反演理論確定反演結(jié)果。
[0018] 進(jìn)一步地，基礎(chǔ)模型的參數(shù)包括拘謹(jǐn)巷道頂?shù)装宓貙觾A角、厚度、走向、電阻率范 圍，巷道走向及巷道尺寸。
[0019] 發(fā)明通過對掘進(jìn)巷道進(jìn)行礦井三維高密度直流電法施工，以特有的測線布置方 式、電極供電、測量排列方式等，對掘進(jìn)巷道進(jìn)行地球物理勘探。同時利用不同類型的地球 物理建模、正反演等，提高物探成果解譯的準(zhǔn)確性，并指導(dǎo)水文鉆探施工，是對礦井掘進(jìn)巷 道超前探測的有效物探技術(shù)手段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是點(diǎn)電源電位及電力線分布圖；
[0021] 圖2是點(diǎn)電源球殼原理圖；
[0022] 圖3是電法勘探原理示意圖；
[0023] 圖4是礦井直流電法超前探測成果圖；
[0024] 圖5是巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測裝置方式；
[0025] 圖6是+30°瞬變電磁超前探測扇面圖；
[0026] 圖7是0°瞬變電磁超前探測扇面圖；
[0027] 圖8是-30°瞬變電磁超前探測扇面圖；
[0028] 圖9是井下掘進(jìn)巷道三維高密度探測測線布置示意圖；
[0029] 圖10是井下掘進(jìn)巷道斷層模型示意圖；
[0030] 圖11是井下掘進(jìn)巷道三維高密度探測等電位線分布示意圖；
[0031] 圖12是井下掘進(jìn)巷道三維高密度探測正反演物理模型網(wǎng)格劃分示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 以下對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的 多種不同方式實(shí)施。
[0033] 巷道掘進(jìn)時，若遇到涌水量突然變大時，應(yīng)停止掘進(jìn)，根據(jù)地質(zhì)條件分析掘進(jìn)巷道 水文地質(zhì)條件并實(shí)施地球物理勘探；或根據(jù)采掘工程布置，掘進(jìn)前方需穿越斷層、構(gòu)造復(fù)雜 區(qū)域、老空水威脅區(qū)域等具有水害突水威脅區(qū)域時，需要實(shí)施地球物理勘探。本發(fā)明中，探 放水鉆孔的施工是以物探成果為指導(dǎo)的，同時鉆探成果又反饋至物探資料解釋，提高物探 資料解釋的準(zhǔn)確性。
[0034] 請參考附圖9至圖12,本發(fā)明提供了一種礦井掘進(jìn)巷道高密度三維直流勘探方 法，包括：
[0035] 步驟10,使用"M"形測線布置對具有水害突水威脅區(qū)域?qū)嵤┑厍蛭锢砜碧剑?M"形 測線中的兩條測線布設(shè)于巷道兩幫，一條測線布設(shè)于巷道底板中間位置，數(shù)據(jù)采集方式采 用二極裝置，跑極方式為連續(xù)觀測。
[0036] 例如，請參考圖9,圖9中101為巷掘進(jìn)迎頭。物探施工可采用普通型高密度激電 儀器，電纜采用集中式30芯電纜。井下掘進(jìn)巷道三維高密度直流電法超前探測施工時，在 掘進(jìn)巷道空間內(nèi)布置三條測線，其中一條掘進(jìn)巷道迎頭左幫測線112,巷道底板測線111， 巷道掘進(jìn)迎頭右側(cè)幫測線110 ;觀測方式采用二級觀測裝置，其中巷道掘進(jìn)迎頭頂板供電 電極106、巷道掘進(jìn)迎頭中間供電電極107、巷道掘進(jìn)迎頭底板供電電極108,測量電極位于 三條測線上，無窮遠(yuǎn)電極分別布設(shè)于巷道后方最大位置處；數(shù)據(jù)采集滾動為連續(xù)滾動，即三 個供電電極都作為三條測線使用。
[0037] 步驟20,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，刪除受近場效應(yīng)影響的數(shù)據(jù)刪除，以免造成解譯資料的 假異?，F(xiàn)象發(fā)生，其原因是二極裝置中的無窮遠(yuǎn)電極需要相對布設(shè)于供電電極、測量電極 無窮遠(yuǎn)處，即0A>50B，0M>50N，由于井下巷道空間的限制，此條件不能完全滿足。
[0038] 步驟30,根據(jù)井下掘進(jìn)所遇到的特殊水害類型，需要建立與之相對應(yīng)的地球物理 正演模型；根據(jù)礦井實(shí)際問題建立基于條件約束原理的正演模型，可減少正演計算誤差。
[0039] 步驟40,根據(jù)正演模型，確定反演模型類型、模型單元尺寸、反演計算方程等，并根 據(jù)反演結(jié)果，對掘進(jìn)巷道超前探測進(jìn)行解譯，劃定低阻異常范圍；
[0040] 以圖10斷層模型為例，由碌巖113、粗砂巖114、泥巖115、砂質(zhì)泥巖116、灰?guī)r117、 粉砂巖118、斷層破碎帶119組成，其中，斷層破碎帶的富水性為我們所要探測的主要目標(biāo)。
[0041] 根據(jù)直流電法勘探理論，以圖11井下掘進(jìn)巷道三維高密度探測等電位線分布示 意圖為例，根據(jù)不同供電位置時的等電位線分布特征109,確定地質(zhì)模型的電阻率分布特 征。
[0042] 通過正演模擬，對模型內(nèi)部進(jìn)行單元網(wǎng)絡(luò)劃分，以圖12為例，105為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，104 為巷道頂板，103為巷道底板，X軸為頂板方向，Y軸為側(cè)幫方向，Z軸為探測方向。網(wǎng)格劃 分時設(shè)定在不同的方向上尺寸可調(diào)整，以減少網(wǎng)格數(shù)量，在允許的精度范圍內(nèi)減少正演計 算時間；通過正演確定的地質(zhì)模型，然后用觀測到的視電阻率數(shù)據(jù)反演地質(zhì)模型的電阻率。
[0043] 步驟50,利用鉆探對低阻異常范圍進(jìn)行驗(yàn)證，并對富水區(qū)域進(jìn)行疏放水或斷層破 碎區(qū)域進(jìn)行注漿封堵治理，查明富水區(qū)的水文地質(zhì)條件；
[0044] 步驟60,根據(jù)低阻異常范圍和水文地質(zhì)條件，對掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)情況進(jìn)行綜合 分析，確定富水異常區(qū)的水源類型、與其他含水層的水力聯(lián)系、突水危險性評價、突水治理 措施及意見等，接觸巷道掘進(jìn)期間的水害威脅，并作出評價報告。
[0045] 例如，根據(jù)物探結(jié)果，利用鉆探對異常體進(jìn)行驗(yàn)證，同時該鉆孔可以作為富水區(qū)域 的疏放水鉆孔或者斷層破碎帶的注漿孔。取得涌水水樣，利用水化學(xué)手段對迎頭涌水化學(xué) 特征，通過與礦井其他性質(zhì)的涌水對比，綜合分析掘進(jìn)迎頭涌水水源性質(zhì)、與其他含水層水 力聯(lián)系等水文地質(zhì)條件。通過以上綜合研究，對礦井掘進(jìn)迎頭水害威脅性進(jìn)行評價，并編制 評價報告，保證巷道安全掘進(jìn)。
[0046] 本發(fā)明中的物探成果的定性與鉆探成果、水化學(xué)成果的定量綜合解釋了掘進(jìn)巷道 水害的類型、水力聯(lián)系、涌水量特征、賦存狀態(tài)等水文地質(zhì)條件。通過綜合分析以上資料，對 掘進(jìn)巷道水害威脅程度進(jìn)行評價，并出具評價報告，保證巷道安全掘進(jìn)。
[0047] 優(yōu)選地，步驟30包括：步驟31，根據(jù)掘進(jìn)巷道的地層產(chǎn)狀、巖性、地球物理性質(zhì)參 數(shù)建立基礎(chǔ)模型；步驟32,根據(jù)掘進(jìn)巷道遇到的水害類型，建立超前探測三維地質(zhì)模型，同 時確定模型中單元的尺寸。
[0048] 優(yōu)選地，三維地質(zhì)模型包括斷層地質(zhì)模型、老空水地質(zhì)模型、小型背斜構(gòu)造地質(zhì)模 型、底板灰?guī)r巖溶地質(zhì)模型等。
[0049] 優(yōu)選地，步驟40中，根據(jù)基于最小二乘法的圓滑約束反演理論確定反演結(jié)果。即：
[0050] (JTJ+uF) d = JTg
[0051] 其中，
[0052] F = fxfxT+fzfz T,
[0053] fx為水平平滑濾波，
[0054] fz為垂直平滑濾波，
[0055] J為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，
[0056] JT為偏導(dǎo)數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，
[0057] u為阻尼系數(shù)，
[0058] d為模型擾動因子，
[0059] g為殘差因子。
[0060] 優(yōu)選地，基礎(chǔ)模型的參數(shù)包括拘謹(jǐn)巷道頂?shù)装宓貙觾A角、厚度、走向、電阻率范圍， 巷道走向及巷道尺寸。
[0061] 本發(fā)明的效果是：
[0062] 1、本發(fā)明使用時，通過對掘進(jìn)巷道進(jìn)行礦井三維高密度直流電法施工，以特有的 測線布置方式、電極供電、測量排列方式等，對掘進(jìn)巷道進(jìn)行地球物理勘探。同時利用不同 類型的地球物理建模、正反演等，提高物探成果解譯的準(zhǔn)確性，并指導(dǎo)水文鉆探施工，是對 礦井掘進(jìn)巷道超前探測的有效物探技術(shù)手段。
[0063] 2、本發(fā)明中包含的"物探先行、鉆探驗(yàn)證、其他水文地質(zhì)條件探查、綜合分析評價" 的技術(shù)路線具有指導(dǎo)及借鑒意義。
[0064] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種礦井掘進(jìn)巷道高密度三維直流勘探方法，其特征在于，包括： 步驟10,使用"M"形測線布置對具有水害突水威脅區(qū)域?qū)嵤┑厍蛭锢砜碧?，所?M"形 測線中的兩條測線布設(shè)于巷道兩幫，一條測線布設(shè)于巷道底板中間位置，數(shù)據(jù)采集方式采 用二極裝置，跑極方式為連續(xù)觀測； 步驟20,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，刪除受近場效應(yīng)影響的數(shù)據(jù)刪除，以免造成解譯資料的假異 ?，F(xiàn)象發(fā)生； 步驟30,根據(jù)井下掘進(jìn)所遇到的特殊水害類型，需要建立與之相對應(yīng)的地球物理正演 模型； 步驟40,根據(jù)所述正演模型，確定反演模型類型、模型單元尺寸、反演計算方程等，并根 據(jù)反演結(jié)果，對掘進(jìn)巷道超前探測進(jìn)行解譯，劃定低阻異常范圍； 步驟50,利用鉆探對所述低阻異常范圍進(jìn)行驗(yàn)證，并對富水區(qū)域進(jìn)行疏放水或斷層破 碎區(qū)域進(jìn)行注漿封堵治理，查明富水區(qū)的水文地質(zhì)條件； 步驟60,根據(jù)所述低阻異常范圍和所述水文地質(zhì)條件，對掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)情況進(jìn)行 綜合分析，確定富水異常區(qū)的水源類型、與其他含水層的水力聯(lián)系、突水危險性評價、突水 治理措施及意見等，接觸巷道掘進(jìn)期間的水害威脅，并作出評價報告。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟30包括： 步驟31，根據(jù)掘進(jìn)巷道的地層產(chǎn)狀、巖性、地球物理性質(zhì)參數(shù)建立基礎(chǔ)模型； 步驟32，根據(jù)掘進(jìn)巷道遇到的水害類型，建立超前探測三維地質(zhì)模型，同時確定模型中 單元的尺寸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述三維地質(zhì)模型包括斷層地質(zhì)模型、老 空水地質(zhì)模型、小型背斜構(gòu)造地質(zhì)模型、底板灰?guī)r巖溶地質(zhì)模型等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟40中，根據(jù)基于最小二乘法的圓 滑約束反演理論確定反演結(jié)果。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述基礎(chǔ)模型的參數(shù)包括拘謹(jǐn)巷道頂?shù)?板地層傾角、厚度、走向、電阻率范圍，巷道走向及巷道尺寸。
【文檔編號】G01V3/22GK104216023SQ201410441874
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】韓進(jìn), 施龍青, 牛超, 邱梅 申請人:山東科技大學(xué)