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直流电法超前探测沙槽模拟实验王夏杰;李杰;刘晓明;刘俊辰【摘要】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。
%Advance detection by direct current method is a new technology of downhole electric detection which is applicable for researching on variation regularity of electrical property of frontal stratum of driving working face and making prediction on distribution and development of frontal water bearing and transmit-ting structures of driving working face.This advance detection experiment is conducted in this way,firstly, to inbuilt known low resistance object in sandpit and to place electrodes in simulated roadways;secondly,to detect known frontal objects by network parallel electrical prospecting and detecting system.The results are relatively reliable because the data acquisition is invulnerable to outside electric current and other environ-ment and frontal anomaly objects are reflected clearly,thus it is verified that the advance detection by direct current method is feasible.【期刊名称】《矿产与地质》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P249-252)【关键词】直流电法;超前探测;沙槽实验【作者】王夏杰;李杰;刘晓明;刘俊辰【作者单位】桂林理工大学，广西桂林 541001;安徽工业职业技术学院，安徽铜陵 244000;桂林理工大学，广西桂林 541001;桂林理工大学，广西桂林 541001【正文语种】中文【中图分类】TD15在煤矿生产及建设中，特别是巷道掘进过程中，由于隔水层较薄或导、含水构造，常引起煤矿突水事件，严重影响煤矿安全生产。
2020.11科学技术创新直流电法超前探测煤矿巷道前方高阻体李雄伟（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）直流电法是研究与地质体有关的直流电场的分布特点和规律，进行找矿和解决某些地质问题的方法，其利用点电源场的球壳原理，基于岩石矿石的电性差异完成探测。
直流电法超前探常被用于探测煤矿井下巷道掘进前方的低阻异常体，如含富水的巷道、破碎带、陷落柱等等地质构造[1]。
这些隐伏地质体含富水或积水时，与围岩电性差异明显，容易被探测，但是当不含富水或不积水的时候，则不易被探测，此时仍然影响大型综采煤矿的掘进及工作面布置，严重威胁煤矿安全生产[2-4]。
比如不积水的采空老巷道，其是瓦斯的聚集场所，规模小而不易被定位探测，则易在掘进阶段引发瓦斯突出[5]。
实现快速准确的探测掘进巷道迎头前方的隐伏危险源，对于保障生产安全意义重大。
文章采用理论方法较成熟的直流电法超前探测技术[6-7]，运用消除了地层层状空间影响和各向异性影响的资料处理方法，在生产矿井中对煤矿掘进迎头前方已知空巷道进行了试验探测，准确的探测出了空巷道的位置。
1直流电法超前探测在地下均匀空间内，如图1所示，采用三个供电电极A 1、A 2和A 3、一个无穷远电极B 、两个接收电极M 和N 的六电极系装置，在掘进巷道的迎头附近等间距布置施工[8]。
供电电极依次向地下供入人工加载的直流电，建立地下以供电电极为球心的点电源球状电场，电流线以供电电极为球心往外延伸，形成的等电位面也均是以供电电极为球心的球壳面，该球壳面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同，在巷道后方以固定间距的方式布置接收电极，单接收电极测量的电位为：（1）式中：I-电流源场的大小，单位/A ；U-观测点测量电位的大小，单位/V ；R-电流源到观测点之间的距离，单位/m ；ρ-均匀全空间的视电阻率，单位/Ω·m 。
计算连续两个接收电极（M 、N ）测得两个球壳之间的电位差。
直流电法超前探测在老窑巷道勘探中的应用简要介绍了直流电法超前探测的基本工作原理，及其资料解释从已知推测未知的过程；然后以崖坪煤矿为例，详述了直流电法超前在探测迎头前方老窑巷道的应用，阐述了该方法探测过程所遇到某些难点及分析手段。
根据后期超前钻及巷道掘进实际揭露验证，该方法能为较为有效的探测掘进巷道迎头前方的老窑巷道，能为煤矿井下巷道掘进过程中解决相应的老窑巷道问题。
标签：直流电法超前探老窑巷道0引言水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一，水害中又尤以老窑巷道积水为危险性较大，因此提前探明掘进巷道前方可能存在的老窑巷道是煤矿安全生产中的重中之重。
近几年，井下直流电法探测巷道老窑巷道积水、断裂破碎带、含水和导水构造等取得了明显的地质效果。
由于岩石电阻率大小主要取决于空隙内的富水性和孔隙空间特性，所以直流电法电阻率成象对于识别掘进巷道前方的老窑巷道、隐伏断层、破碎带、陷落柱，尤其含水、导水破碎带，甚至潜在的突水点都有明显的地质效果，已成为煤矿水害探测的最佳选择。
1井下直流电法超前探原理由于超前探是对巷道掘进有用的方法，煤层都是层状分布，因此在同一岩层中，其测量的电位差是以供电点为球心的同心球壳，球壳厚度应为测量电极间距。
通过“排除法”，根据已知岩层柱状图资料，滤掉特定深度位置上顶、底板岩性变化引起的电性异常，剩余异常即可解释为前方及后方（测点）构造异常。
三点源法超前探测技术同时在堵头后方布设3个供电点，利用在巷道后方不同供电电源所产生的电位差，经过视电阻率计算，得出不同极距的视电阻率异常，经过各种处理，消除巷道影响、后方异常影响、侧方异常影响。
通过空间交汇，可以准确对前方异常进行定位，较好地解决了超前勘探含水构造这一问题。
受空间限制，井下电法施工一般在巷道中进行，供电电流通过布置在巷道内的电极（供电电极）在巷道周围岩层中建立起介于全空间与半空间之间的稳定电场，该稳定场特征取决于巷道周围岩石的电性特征、各种地质构造的分布和地质异常体的赋存状态，通过观测和研究分析该稳定场的分布特征，对物探资料进行推断解译，达到勘探地质体的目的。
煤巷综掘双频激电法超前探测正反演及信号发送机研究我国是目前世界上矿井水害最为严重的国家之一,长期以来,煤矿水害事故一直制约着煤炭开采业安全生产的发展,给国家和人民的生命财产带来了极为惨重的损害。
另外,陷落柱和断层虽然不会像水害那样造成生命财产的巨大损失,但是如果在煤巷掘进过程中没有及时发现其存在,势必会引起掘进设备的损坏造成经济损失,给巷道和顶板的维护造成困难,影响煤矿正常的掘采效率。
因此,在煤巷掘进过程中快速、准确、有效的探明掘进工作面前方一定范围内是否存在灾害性含导水体,陷落柱和断层等异常地质构造,是保证煤矿安全生产的一项重要任务。
目前,煤巷超前探测的方法主要有钻探法和物探法。
钻探法是一种传统方法,用钻探设备向掘进面前方钻探一定深度的孔并取岩芯。
通过观察和分析岩芯结构,来判断掘进工作面前方一定范围内是否存在灾害水体、陷落柱和断层等。
此方法的不足之处在于:施工设备笨重、施工时间长、探测速度慢且距离短、遇到灾害性水体可能会引起突水事故、探测结果只是“一孔之见”,难以判断掘进工作面前方整个空间的地质情况。
物探法是在矿井地下开采空间中,通过观测由地质变化引起的各种物理场分布及其变化特性,来判断地质结构的方法总称。
与钻探法相比,矿井物探法具有经济、高效、无损、探测范围大、探采对比实证性强、运用灵活等优点。
因此,煤巷综掘物探技术一直以来都是众多学者关注的课题和研究方向。
目前,研究相对深入且在煤巷有一定应用案例的物探方法主要有四种:矿井直流电法超前探测技术、矿井瞬变电磁法超前探测技术、矿井地质雷达法超前探测技术、矿井地震波法超前探测技术。
但是由于煤巷特定的工作环境以及煤矿对观测系统和仪器装备的特殊要求,给煤巷物探带来了技术瓶颈大,干扰因素多,数据采集和资料解释难度大等诸多难题。
这也使得现有物探方法总是存在着一定的缺陷。
分析总结众多物探方法的探测原理之后,中国矿业大学(北京)提出了聚焦双频激电法煤巷综掘超前探测技术。
收稿日期:2008-06-27作者简介:王丰敏(1970—),女,河南唐河人,工程师,1992年毕业于焦作矿业学院,现从事煤矿设计工作。
直流电法超前勘探技术的应用实践王丰敏,高 巍,王 伟(平顶山天安六矿,河南平顶山 467091)摘要:介绍了矿井直流电法超前勘探的基本原理及施工布置,并在实践经验基础上,提出利用“三点源法”实施超前探测时测量电极距、测量间距等技术参数的选择,将该法应用于超前探测,效果良好。
关键词:直流电法;超前勘探;数据处理中图分类号:P 631.3 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2008)06-0064-02 矿井直流电法以岩石的电性差异为基础,在全空间条件下建场,使用全空间电场理论,处理和解释有关矿井水文地质问题。
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。
平顶山天安六矿采用Y D Z (A )型防爆数字直流电法仪进行超前探测,应用效果良好。
1 超前探测施工布置超前勘探前方含水异常常用方法为“三点源法”,即在掘进工作面处布置第1个供电电极,形成一个点电源场,同时,沿同一直线向掘进面后方距离第1个电极a 米均匀布置第2个供电电极和第3个供电电极,形成3个供电点,无穷远电极B 布置在距离掘进面b 米处。
图1 超前勘探施工布置示意施工时,依据“三点源法”布置供电电极,布置好后,供电电极、无穷远电极及仪器均固定不动,测量电极M 、N 根据设计的观测系统进行移动。
对测量点M 1、N 1,先接通第1供电点A 1,记录供电电流、电位差、桩号、电极距等数据,然后断开A 1;接通A 2,记录A 2点源产生的供电电流、电位差、桩号、电极距等数据,最后断开A 2;接通A 3供电电源,并记录A 3点源产生的供电电流、电位差、桩号、电极距等数据。
此时,对应于M 1、N 1测点的所有数据已经全部测量完毕。
接下来移动测量电极到M 2、N 2位置,依次通过A 1、A 2、A 3供电并记录所需数据,完成后移动测量电极到M 3、N 3位置。
一、直流电法超前探测
直流电法：直流电法（direct current electric method）是电法勘探的一大类方法。
其共同特点是研究与地质体有关的直流电场的分布特点和规律来进行找矿和解决某些地质问题。
直流电法利用的场源有人工的和天然的。
利用的电性差异有岩石矿石的电阻率差异和极化率差异。
测量的参数有视电阻率（Ps）和视极化率（ns）等。
利用人工场源的直流电法包括有电阻率剖面法、电阻率测深法、充电法、直流激发极化法等。
利用天然场源的直流电法有自然电场法等。
直流电法超前探测理论依据：
将电测深、电剖面融为一体，适用于矿井巷道深部岩层富水性探测和煤层底板突水预测。
其中三点——三极超前探测方法应该效果很好，其突出特点是能避免掘进头后方巷道、及层状地层电性变化的影响，突出巷道前方的地质异常，避免了仅使用原始视电阻率曲线人为判断解释造成的许多缺点，大大提高了解释准确度。
二、地震超前探测
地震波勘探原理：地震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时，遇到不同的波阻抗界面时，在界面处会发生反射，透射（折射）等现象，这些在不同波阻抗界面发生反射、透射（折射）的地震波可被排列于震源附近的检波器所接收，从而形成可用于地震解释的原始数据。
1.TSP（隧道地震超前预报系统）
采用回声测量原理，通过分析反射地震波信号的运动学和动力学特征，对断层，岩
石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数进行计算与界面提取成图。
2.TRT（真反射层析成像）
它采用的是空间多点接收和激发系统，检波器和激发的炮点呈空间分布，布置在巷道迎头、顶板及两个侧帮上，以充分获得空间波场信息，提高对前方不良地质体的定位精度。
该方法对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等都有较高的精度。
3.ISIS（综合地震成像系统）
它是将三个相互垂直状态的检波器，利用粘固剂固定在锚杆上，按一定间距安装在隧道的墙面上。
并利用TBM作为震源激发地震波，从而接收地震记录。
数据处理是采用偏移成像技术完成的。
该方法可对隧道及开巷工程掘进前方以及顶部的复杂地质构造进行较为全面的预报。
优缺点：探测距离远，可达数百米，但是由于矿井环境复杂，各种干扰使得对反射
波的识别很困难，所以反射波法的探测精度不高。
三、瞬变电磁法
瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。
其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。
瞬变电磁法全空间探测计数能够有效探测煤矿采空积水区，快速排除煤矿的安全隐患；
视电阻率等值线图为瞬变电磁法的常用显示图件，采空积水区在视电阻等值线图中多呈封闭或半开口状，视电阻率值相对较小。
从视电阻率等值线的变化情况和视电阻率的相对大小，可更为直观的确定含水采空区的位置及埋深情况。
优缺点：装置轻便，工作效率高，成本低，有效探测范围在25—150m之间，由于矿井瞬变电磁法关断时间的影响，与其他物探方法相比，无法探测到更浅部的异常体（浅部20m左右以内。
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