CN101603423B - 一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法。常用的超前探测技术有地震反射波法、瑞雷波法等，但随着综掘机的广泛采用，上述方法已越来越难以适应当前生产任务要求。本发明的方法是：使用矿井直流电法七电极系探测装置，在煤矿巷道掘进头附近布置4根供电电极A₁、A₂、A₃、A₄构成一直线排列，分别与无穷远处布置的另一根供电电极B构成回路，向地下供入直流电，建立直流电场，同时在巷道后方使用2根相对固定距离的电极M、N测量其电场分布规律，通过专用配套解释技术处理后，得到掘进巷道或隧道迎头前方0m～140m内的地质体的电性分布信息。本发明工作量小、速度快、不受人为因素影响、客观性高、准确性高、属于非破坏性探测方法。

Description

一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法

技术领域

本发明属于煤矿巷道掘进地质超前预测预报技术领域，具体说是一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法。

背景技术

巷道、隧道掘进前方灾害性地质体、导含水体的预测预报是一项与安全生产紧密相关的重要工作。目前常用的超前探测技术有地震反射波法、瑞雷波法、地质雷达法、瞬变电磁法、红外测温法和申请号为200810044794.6的专利所说明的一种预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。地震反射波法中应用较广的有隧道地震剖面法(TSP)^[1]和隧道垂向地震剖面法(TUSP)。两种方法的工作方式稍有差异，但都是利用地震反射原理，在巷道布置震源激发点和三分量检波器，激发震源后接收全空间情况下前方界面的反射波，利用反射波时距曲线来计算前方结构面的位置和产状，预测巷道前方最远约300m以上可能存在的不良地质界面^[1]。地震反射波法对岩层速度分界面能较好的确定，但在实际工作中，该方法接收的信号较复杂，断层界面的负视速度反射波难以准确提取，导致解释结果存在较严重的多解性，尤其是地震反射波对地下水的反应不敏感，不能准确预报前方强含水地质构造，尤其是对点状导水通道更是无能为力^[2]。瑞雷波法是利用弹性波中瑞雷面波的传播特征，来探测前方结构面的一种物探方法，其核心是利用了层状介质中瑞雷波的频散特性，即不同频率成分具有不同的相速度，通过频散曲线来进行地质解释。瑞雷波法分为稳态和瞬态两种方法，稳态法实际工作时，需要利用振动器一个频点一个频点的激发2～9900Hz的控频瑞雷波进行分频测试，而瞬态瑞雷波则用锤击方式取代了激振器，一次激发出各种频率成分，同时检波器也接收到富含各种频率成分的信号。稳态瑞雷波法由于设备过于笨重，施工效率低，难以适合巷道超前探测条件。瞬态瑞雷波采用多个检波器，接收同一个震源激发的面波信息，根据半波长理论解释界面深度，瑞雷波法在探测地质体(煤层)分层、断裂带、陷落柱、地质异常体等方面均有实用价值，但该方法同样对含水体不敏感，不能准确预测掘进前方的含水体，且超前距离一般只有50m^[1][3]，特别在松软煤层中超前距离较短^[3]。地质雷达探测方法是以介质的电性、磁性为基础，研究不同频率的电磁波经介质反射、透射、吸收后的能量衰减、频散作用和时间等参数的变化规律，利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射特性来探测目标体，用于推测工作面前方地质构造的形态和空间位置。该方法对断层、陷落柱、老窑等含水体有较好的探测效果，但目前探测距离较短，大约在20m～30m以内，同时雷达记录易受洞内机器干扰，探测分析中要特别注意波相识别，排除干扰^[2][4][5]。瞬变电磁超前探测基于地面瞬变电磁的原理，获取掘进前方地质体的电阻率，通过电阻率差异判断地质构造、导含水体等。该方法的优点是施工快捷，但井下瞬变电磁方法存在四个缺点，一是盲区较大，不能探测掘进头附近约30m范围内的地质体；二是巷道内大量存在的金属体同样能被一次场激发产生强烈的涡流场，与二次场叠加在一起后，使瞬变信号难以分离；三是接受的信号包含巷道前方后方地质体的信息，对异常体的定向仍然存在不确定性^[6]；四是目前尚无符合我国煤矿安全防爆要求的瞬变电磁仪器可供使用。红外测温技术^[7]是以岩石热传导、热辐射性质为基础，在一定的距离和观测精度下测量掌子面上的温度变化。根据含水体与围岩的温差引起的温度异常场的分布规律，对其进行超前预报。该方法对溶洞、断层破碎带、岩溶裂隙发育带等含水体的超前预报具有较高的准确性，但探测范围较短，一般小于30m^[7]，只能定性解释，不能定量解释。申请号为200810044794.6的发明专利说明了一种预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。其原理是依据地下水在岩体中循环流动导致水体周边及流经位置围岩的温度变化，通过这种温度差异推测掌子面前方可能存在的含水体。该方法具有一定的准确性，但不能定量预测地下水体相对于掌子面的距离。其工作方式是在施工掌子面后面的隧道周边，随隧道施工掌子面的前移，按一定间距逐点跟踪测试隧道周边岩体的温度。其温度测试在5～12m深的岩孔中进行，因此需要在隧道后方等间距实施一定数量的钻孔，具有相对较大的工作量。

程九龙^[8]说明的巷道掘进中电阻率法超前探测技术，该探测技术是使用独立的一个或两个单极-偶极排列装置进行数据采集，解释过程是：首先进行测区岩石电性参数测试，了解测区正常岩石电性特征和已知的异常地质体的电性特征；在给定相应的模型及其参数后，分别计算正常场和异常场理论曲线；然后通过实测曲线与理论曲线比较，确定异常点位置以及异常体类型；最后利用人工作图法确定异常具体位置。其缺点是：A)在利用原始曲线比较法确定异常点，再利用人工作图法确定地质异常的具体位置时，由于存在巷道内局部积水、局部不均匀、层状地层、地层各向异性等方面的影响因素，上述解释方法有时不能发现异常，甚至解释出错误的结果；B)没有进一步的处理措施；C)异常解释没有标准，不能确定异常的临界值；E)探测距离小(其最大探测距离约42m)。

刘青雯^[9]、刘金峰^[10]使用的直流三点-三极超前探测法(或直流电三点源超前探测技术)，此方法为在前一方法基础上发展而来，对所测数据有了初步处理措施，其探测技术是联合使用三个单极-偶极排列装置采集数据，解释过程是：首先对测区内已知地质异常体作前提性试验，初步了解该区地质异常体的电性特征及异常性质；模拟计算该区正常场的理论曲线；消除迎头后方巷道的影响，对理论、实测视电阻率曲线进行校正；消除地层层状空间的影响；将实测的三条异常曲线与理论曲线比较，找出相对异常位置；根据异常特征确定异常点位置以及异常体性质。优点是：数据进行了初步处理。缺点是：A)正演计算不同地点的正常场和异常场理论曲线很难准确实现，且不考虑地层各向异性时地层的影响，因此判断异常的基础不稳定，給进一步解释带来较大误差；B)测量数据的中间处理步骤较复杂而且多余，易带来计算误差，如巷道空间影响的校正；C)解释没有标准，人工判别容易漏掉异常，准确度较低；D)探测距离较短(其探测距离短，最大80m)。

随着综掘机的广泛采用，巷道掘进速度也随之提高，日进尺可达30m～50m，上述方法已越来越难以适应当前生产任务要求，迫切需要一种能探测较长距离(＞100m)、有判断标准、自动解释，准确度较高，特别是能定量解释灾害性导水、含水构造及其位置的超前探测技术，以保障煤矿生产安全。

引用文献：

[1]王齐仁.灾害地质体超前探测技术研究现状与思考[J]，煤田地质与勘探，2005，(10).

[2]王齐仁.隧道地质灾害超前探测方法研究[D]，中南大学博士论文.2008.(11)

[3]王为民.矿井下探测含水、导水构造的物探方法[J]，煤田地质与勘探，1996，(6).

[4]赵永贵，刘浩，孙宇等.隧道地质超前预报研究进展[J]，地球物理学进展，2003，(9).

[5]田劼，韩光，吴钰晶等.矿井独头巷道掘进超前探测技术现状[J]，煤炭科学技术，2006，(8).

[6]郭纯，刘白宙，白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测[J]，地震地质，2006，(9).

[7]王洪勇，张继奎，李志辉.长大隧道红外辐射测温超前预报含水体方法研究与应用实例分析[J]，物探化探计算技术，2003，(2).

[8]程九龙，王玉和，于师建等.巷道掘进中电阻率法超前探测原理与应用[J]煤田面地质与勘探，2000(4)，60～62.

[9]刘青雯.井下电法超前探测方法及其应用[J]，煤田地质与勘探，2001(5)，60～62.

[10]刘金峰，霍振奇.直流电三点源超前探测技术的创新与应用[J]，河北煤炭，2006(6)，7～9.

发明内容

为了解决目前现有的煤矿巷道掘进超前探方法单次探测距离过短，无法有效识别“灾害性”导水突水地质构造，没有解释标准，准确度不高，误报漏报等不足。本发明提供一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法；该方法不需要正演理论曲线，能消除地层层状空间及其各向同性的影响，能单次超前探测较长距离(0m～140m)，且能标准化、定量化解释导水破碎带、导水断层等含水导水构造、老窑采空积水区等地质构造的位置，尤其能有效识别掘进头前方“灾害性”导水突水地质构造，准确度较高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法，其特殊之处在于：在巷道掘进头附近等间距L布置4个供电电极A₁、A₂、A₃、A₄，分别往地下供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，供电电极A₁、A₂、A₃，A₄分别供电时都是点电源，其电流线以A_i极(i＝1，2，3，4)为球心往外辐射，其等电位面是以A_i极为球心的球面；该球面在同一个球面上的任意一点的电位相同；用一定间隔的测量电极M、N测量两个球壳之间的电位差U_MN；探测距离等于点电源A_i与测量电极M、N之中点O之间距A_iO；当掘进头前方无地质构造时，获得的电位差为正常地层的正常值，而掘进头前方存在地质构造时，等位面的分布将被改变，表现为包含地质构造的两个等位面之间的电位差变化最明显，而该值可以通过测量掘进头后方的M、N两电极获得；获得M、N两电极之间的电位差包括了掘进头前方、后方、上方、下方、左方、右方等全空间地层的地质信息。

上述的井下施工方法为：在巷道掘进头附近等间距L，L＝1～8m，布置4个供电电极A₁、A₂、A₃，A₄，与无穷远处布置的一个供电电极B构成回路，分别连接A₁B、A₂B、A₃B和A₄B，往地下供入直流电建立人工电场；

在巷道后方距供电电极一定距离，布置两个测量电极M、N，测量该电场中M、N间的电位差，两个测量电极M、N与掘进头附近供电电极呈直线分布，M、N之间距为1～8m。

测量方法：每相对固定一次测量电极M、N的位置，对A_i(i＝1，2，3，4)所有供电电极分别单独供电时所建立的地下电场进行测量，测量参数为：

MN/m，A₁O/m，U₁/mV，I₁/mA，ρ_S1/Ω·m；

MN/m，A₂O/m，U₂/mV，I₂/mA，ρ_S2/Ω·m；

MN/m，A₃O/m，U₃/mV，I₃/mA，ρ_S3/Ω·m；

MN/m，A₄O/m，U₄/mV，I₄/mA，ρ_S4/Ω·m；

MN是M与N电极之间的直线距离；A_iO是A_i与O之间的直线距离，(O为MN之中点)，即探测距离；U_i是A_i与B供电时MN间的电位差，I_i是A_i与B供电时的电流，ρ_Si为A_i与B供电时，测量的视电阻率；

移动一次M或N后，再次重复上述测量方法，获得四条视电阻率曲线。

上述方法的资料处理方法与解释方法：

在获取的地质信息中，包含有地下全空间各种地质体的影响；消除上述影响后的视电阻率剩余异常即为掘进前方地质构造的纯异常，实现顺层探测掘进巷道迎头前方的地质构造，经实际效果验证，该方法能顺层探测距离达0m～140m；

本发明所采用的解释标准为：计算总的平均均方相对误差，简称“均方误差”， $M=\±\sqrt{\frac{1}{8n}\underset{i,X=1}{\overset{4,n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{Exp}(x,i)\right)}^2};$

视电阻率异常值小于1倍均方误差ABS(M)为一级异常，表示对应前方一般不会有大的含水、导水构造；介于1～2倍均方误差ABS(M)之间为二级异常，一般为岩石电性变化较大，如岩石相变、底鼓、含水断层、淋水裂隙及老窑等含水性较强的异常地质体的反应；大于2倍均方误差ABS(M)时为三极异常，一般为大的岩石电性变化，如大的导水断层，或裂隙发育带及潜在的导水或突水构造等强含水体的反应——为“灾害性”地质构造。

本发明的有益效果是，能定量顺层探测掘进巷道前方较长距离(最大探测距离达140m)内的导水地质构造；探测方法与解释方法紧密配合，解释结果归一化、统一化，提供解释标准；能快速探测、标准解释(根据异常值确定异常性质)；准确率高达85％以上(根据实际验证结果)。特别是能判断所探测的异常是否为灾害性导水含水构造，并确定其具体位置；经验证，该方法施工效率较高，一般1～2个小时完成一次探测。

附图说明

图1为本发明施工布置示意图；

图2为探测原理与聚焦法示意图；

图3为超前探测结果示意图。

具体实施方式

(1)、本发明解决其技术问题所采用的井下施工方法及其探测原理

参见图1，采用组合七电极系直流电法顺层超前探测装置，在掘进头后方巷道内测量人工电场的分布规律，以超前预测掘进头前方的地质构造。由于一般岩层含水时电阻率值急剧下降，对供入地下的电流场有强烈影响，因此该方法更能识别掘进头前方的导水含水体。

A.井下施工方法

建立新的测量系统(7电极系测量系统)。在巷道掘进头附近等间距L(L＝1～8m)布置4个供电电极A₁、A₂、A₃，A₄，与无穷远处布置的一个供电电极B构成回路，分别连接A₁B、A₂B、A₃B和A₄B，往地下供入直流电建立人工电场。如图1为组合7电极系施工布置图。

在巷道后方距供电电极一定距离，布置两个测量电极M、N(与掘进头附近供电电极呈直线分布，M、N之间距为1～8m)测量该电场中M、N间的电位差。

测量方法：每相对固定一次MN电极的位置，对Ai(i＝1，2，3，4)所有供电电极分别单独供电时所建立的地下电场进行测量，测量参数为：

(MN/m，A₁O/m，U₁/mV，I₁/mA，ρ_S1/Ω·m)

(MN/m，A₂O/m，U₂/mV，I₂/mA，ρ_S2/Ω·m)

(MN/m，A₃O/m，U₃/mV，I₃/mA，ρ_S3/Ω·m)

(MN/m，A₄O/m，U₄/mV，I₄/mA，ρ_S4/Ω·m)

{注：MN是M与N电极之间的直线距离；A_iO是A_i与O(O为MN之中点)之间的直线距离，即探测距离；U_i是A_i与B供电时MN间的电位差，I_i是A_i与B供电时的电流，ρ_Si为A_i与B供电时，该装置所测的视电阻率。}

移动一次M或N后，再次重复上述步骤，直到达到测量目的为止。结果获得四条视电阻率曲线。

B.探测原理：

参见图2，在巷道掘进头附近等间距L布置4个供电电极A₁、A₂、A₃、A₄，分别往地下供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，供电电极(A₁、A₂、A₃，A₄)分别供电时都是点电源，其电流线以A_i极(i＝1，2，3，4.下同)为球心往外辐射，其等电位面是以A_i极为球心的球面，该球面的特点是在同一个球面上的任意一点的电位相同。有一定间隔的MN电极所测的是两个球壳之间的电位差U_MN。

探测距离等于点电源A_i与MN之中点O之间距A_iO。

当掘进头前方无地质构造时，获得的电位差为正常地层的正常值，而掘进头前方存在地质构造时，等位面的分布将被改变，表现为包含地质构造的两个等位面之间的电位差变化最明显，而该值可以通过测量掘进头后方的MN两电极获得。实际上MN之间的电位差包括了掘进头前方、后方、上方、下方、左方、右方等全空间地层的地质信息。本发明通过以下解释技术可以突出前方的地质异常，达到超前探测之目的。

(2)、本发明解决其技术问题所采用的资料处理方法与解释方法：

在获取的地质信息中，包含有地下全空间各种地质体的影响。可归类为：迎头前方的、地层层状空间的、测量装置本身带来的、迎头后方MN附近的(后方巷道空间、巷道底板不均匀，MN电极接地条件的不均一、巷道内局部电性不均匀地质体等)、非正前方的影响(上方、下方、左方、右方、后方等影响)。采取以下技术措施：

A.消除巷道迎头后方MN附近影响的方法

根据视电阻率公式： ${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{j_{\mathrm{MN}}}{j_0}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{MN}},$ 对于同一个MN所测量4组数据(ρ_s1、ρ_s2、ρ_s3、ρ_s4)对应同一个ρ_MN，即ρ_MN1＝ρ_MN2＝ρ_MN3＝ρ_MN4＝ρ_MN，因此， $\frac{{\mathrm{\ρ}}_{s1}}{{\mathrm{\ρ}}_{s2}}=\left(\frac{j_{\mathrm{MN}1}}{j_0}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{MN}1}\right)/\left(\frac{j_{\mathrm{MN}2}}{j_0}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{MN}2}\right)=\frac{j_{\mathrm{MN}1}}{j_{\mathrm{MN}2}},$ 已经将ρ_MN项消去，(ρ_MN即MN之间的视电阻率)，也就是将巷道后方MN附近的地质影响已经完全消去。

B.消除层状地层空间及地层各向异性影响的方法

由于煤系地层呈层状分布，不同地区的煤系地层沉积序列有所变化，而且地层时代不同，相似岩层的电阻率也不尽相同，因此层状地层对测量结果的影响也不尽相同，使所测曲线变化无常，不易解释。

另一方面，理论上只把所有地层当成各向同性的理想状态，没有考虑地层电性的各向异性。有时地层电性的各向异性给测量结果带来很大影响，有时布极换个方向其测量数据就会变化50％以上，有时远远大于地质异常的影响，这会掩盖地质构造的真异常甚至带来假异常，不能正确解释甚至产生错误的结果。因此，超前探测时必须将层状地层的影响、地层电性的各向异性的影响消除。方法如下：

经试验证明，通过曲线误差分析，除去大于一倍均方根误差的数据，将同一地点所测四条测深曲线拟合成一条模板理论曲线，其与理论曲线的相对误差不大于5％。因此使用实测四条超前探测曲线拟合生成一条模板理论曲线可行。优点：使用实测曲线拟合生成的模板理论曲线，包含了所测地点的地层层状空间电性的反映及本次电法探测装置带来的地层各向异性的影响，比一般正演理论曲线只考虑地层各向同性时地层的综合电性准确、合理。再将实测曲线与理论模板进行归一化，可得到归一化解释曲线Exp(x，i)。该曲线已经将地层层状空间的影响和各向异性的影响消除，效果很好。即：

Exp(x，i)＝(ρ_S实测(x，i)-ρ_S理论(x，i))/ρ_S理论(x，i)*100％。解释方法：当无异常时，该曲线理论值Exp(x，i)＝0。当有异常时，Exp(x，i)≠0。其中，i＝1，2，3，4条曲线，x＝1，2，3，......，n个测点/曲线。

C.排除迎头非正前方的影响的方法-聚焦法

参见图2，将四个点电源A_i(i＝1，2，3，4)分别供入电流时，使用同一对测量电极MN测量电位差，通过等位面的几何聚焦法消除非正前方地质构造的影响，只保留前方的影响。以巷道掘进头为直角坐标原点，往前方为X轴，往上为Y轴，其超前探测前方的范围为：以x＝b/2n为顶点、喇叭口对准前方的“准抛物体”。

[注：在前方X位置，该准抛物体的最小外轮廓线坐标(x，y)为：

$x=\frac{2(n+1)L+b}{2n},$ $y=\±\sqrt{{(L+b)}^2-x^2},$ 其中L为巷道正前方超前探测距离，b为MN之间的电极距，n＝-(N-4)。

该准抛物体的垂直于X轴的截面为一圆，设该圆半径为R，其极限最小探测半径 $R_{\mathrm{MIN}}=\sqrt{(2\mathrm{Lb}+b^2)}.$ 当L＝100m，b＝4m时，R≈28.5m，该处轮廓线与X轴之夹角约为15.9°，当L＝140m时，R≈40.2m该处轮廓线与X轴之夹角约为13.1°。]

这样，消除上述影响后的视电阻率剩余异常即为掘进前方地质构造的纯异常，达到了顺层探测掘进巷道迎头前方的地质构造之目的。经实际效果验证，该方法能顺层探测距离达0m～140m。

(3)、本发明所采用的解释标准

计算总的平均均方相对误差(简称“均方误差”) $M=\±\sqrt{\frac{1}{8n}\underset{i,X=1}{\overset{4,n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{Exp}(x,i)\right)}^2}.$

视电阻率异常值小于1倍均方误差ABS(M)为一级异常，表示对应前方一般不会有大的含水、导水构造；介于1～2倍均方误差ABS(M)之间为二级异常，一般为岩石电性变化较大，如岩石相变、底鼓、含水断层、淋水裂隙及老窑等含水性较强的异常地质体的反应；大于2倍均方误差ABS(M)时为三极异常，一般为大的岩石电性变化，如大的导水断层(或裂隙发育带)及潜在的导水或突水构造等强含水体的反应——一般为“灾害性”地质构造。

(4)、成图方式

参见图3，使用一条综合曲线图或(综合)拟断面图的形式表示解释结果。

具体实施例：

本实施例位于山西省朔州市，中国中煤能源股份有限公司平朔分公司三号井工矿9号煤南翼主运大巷。以2009年3月18日该矿井电法技术超前探测为例来具体说明本方法。巷道迎头位置位于主6号测量点前24m，电法最近的第一个电极A₁距离迎头10m。A₁、A₂、A₃、A₄、M、N等间距4m依次按直线从里往外布置，无穷远电极B位于距巷道迎头电极直线距离大于最大探测距离的5倍以上(本次为700m)。

测量方法：每相对固定一次MN电极的位置，对A_i(i＝1，2，3，4)所有供电电极分别单独供电时所建立的地下电场进行测量，测量参数为：

(MN/m，A₁O/m，U₁/mV，I₁/mA，ρ_S1/Ω·m)——(4，6，495.16，31.45，791.28)

(MN/m，A₂O/m，U₂/mV，I₂/mA，ρ_S2/Ω·m)——(4，10，226.97，48.18，710.36)

(MN/m，A₃O/m，U₃/mV，I₃/mA，ρ_S3/Ω·m)——(4，14，80.79，56.36，432.33)

(MN/m，A₄O/m，U₄/mV，I₄/mA，ρ_S4/Ω·m)——(4，18，85.66，56.18，766.38)

为第一组数据。每移动一次M或N后，重复上述步骤。当MN到达目的极距或测量信号较为微弱、信噪比小到无法保证数据质量时结束。共n组数据。本次28组数据，探测最大极距为126m。

A.消除巷道迎头后方MN附近影响

由于同一个MN所测量4组数据(ρ_s1、ρ_s2、ρ_s3、ρ_s4)，对应同一个ρ_MN，即ρ_MN1＝ρ_MN2＝ρ_MN3＝ρ_MN4，因此，ρ_s1/ρ_s2/ρ_s3/ρ_s4＝j_MN1/j_MN2/j_MN3/j_MN4，已经将ρ_MN项消去，也就是将巷道后方MN附近的地质影响已经消去。

B.排除层状地层空间及地层电性各向异性的影响

根据实测4条曲线拟合生成一条模板理论曲线ρ_S实(x，i)＝ax³+bx²+cx+d(x代表探测距离/m，i代表第i个供电点)。再将实测曲线与模板归一化处理，得到归一化解释曲线Exp(x，i)。当无异常时，该曲线Exp(x，i)＝0。当有异常时，Exp(x，i)≠0。(其中，i＝1，2，......，4；x＝1，2，......，n。)

C.聚焦法消除非正前方的影响

只需要将(AO_i，Ratio(x，i))依次按照距离间隔4m向前方交汇即可。如以A1为基准，探测极距为AO₁，A2对应的探测极距为(AO₂-4m)，A₃对应的探测极距为(AO₃-8m)，A₄对应的探测极距为(AO₄-12m)。然后将对应探测极距的(AO_i，Ratio(x，i)求期望值 $\stackrel{\‾}{R}(x,i)=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ratio}(x,i),$ 得到(AO_i，R(x，i))(i＝1，2，3，4)这就是最终综合探测曲线，将此曲线绘制成综合曲线图或拟断面图。本次为了将巷道迎头定为起始点，将AO_i减去10m(因A₁距离迎头10m)。

D.计算解释标准

对Exp(x，i)(i＝1，2，3，4)求总的平均均方相对误差M。本次M＝±20。小于一倍ABS(M)为一级异常；大于等于一倍且小于二倍ABS(M)为二级异常，大于二倍ABS(M)为三级异常。

本次无小于二倍ABS(M)的异常。发现2个小于-40的三极低阻异常为灾害性含水地质异常。(注：含水导水构造呈现低阻异常，低阻异常值为负值，高阻异常为正值)。

E.解释结果

由图3平朔三号井工矿9号煤南翼主运大巷2009年3月18日电法超前探测成果可知：在巷道迎头前方112m范围内，共发现两个三级低阻异常，分别位于40～44m(一号异常)，100～108m(二号异常)，解释推断为灾害性积水老窑采空区或导水断层。其中当掘进至一号异常43.3m处发生老窑透水，峰值突水量约9000m³/h，短时间内矿井被淹，随后排干水于2009年4月13日打钻验证二号异常，仍为老窑采空积水区。

Claims (1)

1.一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电法方法，其特征在于：在巷道掘进头附近等间距L布置4个供电电极A₁、A₂、A₃、A₄，分别往地下供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，供电电极A₁、A₂、A₃，A₄分别供电时都是点电源，其电流线以A_i极为球心往外辐射，其中i=1，2，3，4，其等电位面是以A_i极为球心的球面；该球面在同一个球面上的任意一点的电位相同；用一定间隔的测量电极M、N测量两个球壳之间的电位差U_MN；探测距离等于点电源A_i与测量电极M、N之中点O之间距A_iO；当掘进头前方无地质构造时，获得的电位差为正常地层的正常值，而掘进头前方存在地质构造时，等位面的分布将被改变，表现为包含地质构造的两个等位面之间的电位差变化最明显，而该值可以通过测量掘进头后方的M、N两电极获得；获得M、N两电极之间的电位差包括了掘进头前方、后方、上方、下方、左方、右方全空间地层的地质信息；

井下施工方法为：在巷道掘进头附近等间距L，L=1~8m，布置4个供电电极A₁、A₂、A₃，A₄，与无穷远处布置的一个供电电极B构成回路，分别连接A₁ B、A₂ B、A₃ B和A₄ B，往地下供入直流电建立人工电场；

在巷道后方距供电电极一定距离，布置两个测量电极M、N，测量该电场中M、N间的电位差，两个测量电极M、N与掘进头附近供电电极呈直线分布，M、N之间距为1~8m；

测量方法：每相对固定一次测量电极M、N的位置，对A_i所有供电电极分别单独供电时所建立的地下电场进行测量，其中i=1,2,3,4测量参数为：

MN是M与N电极之间的直线距离；A_iO是A_i与O之间的直线距离，O为MN之中点，即探测距离；U_i是A_i与B供电时MN间的电位差，I_i是A_i与B供电时的电流，

为A_i与B供电时，测量的视电阻率；

移动一次M或N后，再次重复上述测量方法，获得四条视电阻率曲线；

资料处理方法与解释方法：

在获取的地质信息中，包含有地下全空间各种地质体的影响；本方法消除了巷道迎头后方MN附近影响，消除层状地层空间及测量装置引起的地层各向异性的影响，排除了迎头非正前方的影响，计算出消除上述影响后的视电阻率剩余异常即为掘进前方地质构造的纯异常，实现顺层探测掘进巷道迎头前方的地质构造，经实际效果验证，该方法能顺层探测距离达0m~140m；

本发明所采用的解释标准为：计算总的平均均方相对误差，简称“均方误差”， 

视电阻率异常值小于1倍均方误差ABS(M)为一级异常，表示对应前方一般不会有大的含水、导水构造；介于1~2倍均方误差ABS(M)之间为二级异常，一般为岩石电性变化较大，岩石相变、底鼓、含水断层、淋水裂隙及老窑含水性较强的异常地质体的反应；大于2倍均方误差ABS(M)时为三极异常，一般为大的岩石电性变化，大的导水断层，或裂隙发育带及潜在的导水或突水构造强含水体的反应——为“灾害性”地质构造。

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