專利名稱：一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦采煤工作面地質(zhì)探測技術(shù)領(lǐng)域，具體說是涉及一種對采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，特別是能探測大寬度、工作面寬度大于180m的采煤工作面內(nèi)部的煤層缺失帶、含水導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造的煤層透視方法。

背景技術(shù)：
礦井直流電法分支方法較多，從布極方式上有對稱四極、單極-偶極法及單極-單極法等；從觀測方式上有測深法、剖面法和透視法，它們都以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)，研究不同電性層或不均勻地質(zhì)體引起的異常場分布特性(即相對于均勻全空間電場分布而產(chǎn)生的異常場特性)，推斷解釋地質(zhì)異常體的性質(zhì)及賦存狀態(tài)[1]。
礦井直流電法主要用于巷道底板測深及迎頭前方的含水構(gòu)造，可以解決層位劃分和富水體圈定問題。該方法的主要問題是施工受巷道條件限制，對工作面內(nèi)部煤層及其頂、底板含水構(gòu)造的探測距離有限(一般在80m～100m)，而綜采工作面寬度常常大于180m，其內(nèi)部的隱伏構(gòu)造難以探測[1][2][3]。
目前，采煤工作面音頻電穿透法[4][5]，作為礦井直流電法的一個重要分枝是近幾年發(fā)展起來并在逐步完善的新方法，其特點是主要探測采煤工作面頂?shù)装鍍?nèi)一定深度范圍內(nèi)的含水導(dǎo)水構(gòu)造，對頂?shù)装宓牡妥铇?gòu)造反映敏感、采集信息量和探測距離大、施工效率較高。目前該方法在生產(chǎn)中正在推廣應(yīng)用[6][7][8]。但該方法的缺點是，對采煤工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造反映不敏感[4][5][8]。
無線電波坑道透視法(又稱坑透法)[9][10]。在工作面兩順槽之間發(fā)射接收高頻電磁信號，利用不同的巖礦石對高頻無線電磁波(f≥0.5MHz)能量的吸收差異、構(gòu)造界面對電磁波反射和折射作用，使其能量被吸收或屏蔽的原理進(jìn)行解釋推斷[11]。一般能探測工作面寬度小于200m(條件好時能探測200多m)的工作面內(nèi)部的斷層等地質(zhì)構(gòu)造，但是由于不同地區(qū)煤田地球物理特征不同，透視距離差別較大，該方法對不同地區(qū)探測結(jié)果較難達(dá)到滿意效果；特別是工作面采長較大(大于180m)時或者煤層吸收電磁波較好時，不能探測到有效信號，無法實現(xiàn)透視探測工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造[12][13][14]。
引用文獻(xiàn) [1]韓德品等，采煤工作面內(nèi)陷落柱超前探測技術(shù)與應(yīng)用[J]，煤炭學(xué)報，Vol.25Supp.2006 [2]王恩營.煤炭開采中小斷層研究的幾個問題[J].中國礦業(yè)，2006，8 [3]王錦祥.現(xiàn)代煤田地質(zhì)勘探、煤礦礦井物探及測井新技術(shù)新方法實用手冊[M].中國煤炭出版社，2006. [4]韓德品，石亞丁等，井下單極-偶極直流電透視原理及解釋方法[J]，煤田地質(zhì)與勘探，1997，Vol25，32～34。
[5]劉志新，岳建華，劉樹才.礦井直流電透視方法技術(shù)研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，23(3). [6]張根良，音頻電透視法在煤礦防治水中的應(yīng)用[J]，河北煤炭，2007(2)，27～28。
[7]王劍峻，音頻電透視在煤礦綜采工作面的應(yīng)用[J]，中國礦山工程，2008，Vol.37No.2，36～40。
[8]高致宏等，工作面富水區(qū)探測與礦井電法——音頻電透視在工作面富水區(qū)探測中的應(yīng)用效果[J]，煤田地質(zhì)與勘探[J]，2002，第30卷第4期，51-54。
[9]陳兆平，無線電波透視法在礦井地質(zhì)測探中的應(yīng)用[J]，煤炭工程師，1996(1)，41～43. [10]李蘭亭；侯吉祥.無線電波坑透探測在大同煤田的應(yīng)用研究，煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(5)，52～55. [11]湯友誼.無線電波坑道透視構(gòu)造煤的研究[J].煤炭學(xué)報，2002，27(3)254～258. [12]趙益晨.無線電坑道透視技術(shù)在高陽礦的應(yīng)用效果，煤礦現(xiàn)代化，2005，(3)34～35. [13]張戩.坑道無線電波透視法在探測井下陷落柱中的應(yīng)用.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16(19)166～168. [14]孫吉益，無線電波坑道透視技術(shù)地質(zhì)解析的局限性[J]，河北煤炭，2008(3)，3～4。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前采煤工作面較寬時及煤層屏蔽或吸收高頻電磁波不能有效透視較大寬度、寬度大于180m的采煤工作面的難題，本發(fā)明提供一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，該方法能避免煤層屏蔽人工電場，能透視寬度在180m～400m的采煤工作面內(nèi)部的煤層缺失帶、含水導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造，預(yù)測預(yù)報采煤工作面煤層內(nèi)部潛在地質(zhì)構(gòu)造。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，在工作面兩順槽布置供電電極A、B，建立特定直流電場，使該電場的電流線近似垂直于煤層層面，等電位面近似平行于煤層層位分布，測量電極M、N，順電流線布置，基本垂直于煤層平面、置于工作面兩順槽巷道的上下界面附近測量該電場的電位差；所測得M、N兩電極之間的電位差是主要來自工作面煤層內(nèi)部，因此所測結(jié)果主要包含了該工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)信息；根據(jù)電場的分布規(guī)律計算出所測工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)異常分布規(guī)律。
該方法所采用的井下施工技術(shù)為采用偶極-偶極的直流電法探測裝置方式；將兩個供電電極A、B和兩個測量電極M、N均垂直于煤層平面并分別置于工作面兩順槽巷道的上下界面附近；在測量過程中相對固定供電電極A、B，在另一巷道移動測量電極M、N，在AB-MN最短距離處為中軸線的兩側(cè)呈扇形掃描測量；每移動一次MN，測一組參數(shù)，包括發(fā)射點號及坐標(biāo)、接收點號及坐標(biāo)、MN間的電位差ΔUMN/mV、供電電流I/mA、MN之間距LMN/m；測量電極分別置于不同的觀測點做扇形掃描測量，測量完畢后移動供電電極A、B至下一設(shè)計供電點重復(fù)以上步驟，直到測量完所有設(shè)計的觀測點；然后交換AB、MN的位置按上述步驟重復(fù)測量。
供電點距選擇依據(jù)當(dāng)工作面寬度大于100m時，供電點距常采用50m；當(dāng)工作面寬度小于100m時，供電點距常采用20m～30m；AB供電極之連線垂直于煤層平面； 測量MN之電極距LMN的選擇依據(jù)一般情況下，接收電極MN之間距等于巷道高度；特殊情況可根據(jù)礦井下實際的條件布置，但必須使M與N的連線垂直于煤層平面； 測量點距的選擇依據(jù)測量電極MN在扇形掃描測量過程中，每測量一次為一個測點，測點之間的距離為測量點距，根據(jù)探測分辨率的要求進(jìn)行選擇，測量點距一般為5m～10m。
根據(jù)電場的分布規(guī)律，使用地電成像方法計算出工作面內(nèi)部的視電阻或視電阻率的分布規(guī)律，展現(xiàn)在工作面范圍內(nèi)便得到所需要的探測結(jié)果； 1)參數(shù)計算公式視電阻Rs＝ΔUMN/I；視電阻率ρs＝K·ΔUMN/I，K＝4π/(1/RAM-1/RAN-1/RBM+1/RBN)，其中ΔUMN為MN測量點之間的電位差，I為AB之間的供電電流； A(XA，YA，ZA)，B(XB，YB，ZB)，M(XM，YM，ZM)，N(XN，YN，ZN)分別為各電極的坐標(biāo)； 2)地電成像方法一般借助于電位測量確定視電阻率的變化，視電阻率的變化取決于地層的非均勻性；為了描述這種非均勻性，引入局部視電阻率ρs(x，y)；即將所測范圍在工作面平面上被劃分成若干個地電單元ρs(x，y)；其中為各個單元的電阻率偏差；ρs0為理論數(shù)值，ρs為實測數(shù)值；利用視電阻率在不同單元的偏差e(x，y)，將此非均勻性按一定規(guī)則用平面圖表現(xiàn)出來，就是該工作面地電成像結(jié)果。
成圖方式為使用視電阻或視電阻率異常的參數(shù)，繪制工作面參數(shù)異常的平面圖；表示解釋結(jié)果。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)點如下 本發(fā)明采煤工作面直流層透視探測方法，該方法屬于直流電法范疇，采用直流電場探測理論。其有益效果是順煤層透視工作面時不存在工作面內(nèi)的煤層及構(gòu)造屏蔽作用，也不存在盲區(qū)，能探測采煤工作面煤層內(nèi)部的無煤帶、含水導(dǎo)水構(gòu)造等；經(jīng)試驗知探測工作面寬度最大可達(dá)400m，尤其是高阻煤層所探測的距離更大，對異常具有放大作用，便于解釋。



圖1本發(fā)明的井下施工技術(shù)的示意圖；圖中A、B為供電電極，M、N為測量電極； 圖2本發(fā)明的工作面層透視法探測原理示意圖； 圖3為一具體的工作面層透視探測結(jié)果-地電成像的平面示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明采煤工作面直流層透視探測方法，該方法屬于直流電法范疇，采用直流電場探測理論；其是順煤層透視工作面時不存在工作面內(nèi)的煤層及構(gòu)造屏蔽作用，也不存在盲區(qū)，能探測采煤工作面煤層內(nèi)部的無煤帶、含水導(dǎo)水構(gòu)造等； 參見圖1、圖2、一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，在工作面兩順槽布置供電電極A、B，建立特定直流電場，使該電場的電流線近似垂直于煤層層面，等電位面近似平行于煤層層位分布，測量電極M、N，順電流線布置，基本垂直于煤層平面、置于工作面兩順槽巷道的上下界面附近測量該電場的電位差；所測得M、N兩電極之間的電位差是主要來自工作面煤層內(nèi)部，因此所測結(jié)果主要包含了該工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)信息；根據(jù)電場的分布規(guī)律計算出所測工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)異常分布規(guī)律。
該方法所采用的井下施工技術(shù)為采用偶極-偶極的直流電法探測裝置方式；將兩個供電電極A、B和兩個測量電極M、N均垂直于煤層平面并分別置于工作面兩順槽巷道的上下界面附近；在測量過程中相對固定供電電極A、B，在另一巷道移動測量電極M、N，在AB-MN最短距離處為中軸線的兩側(cè)呈扇形掃描測量；每移動一次MN，測一組參數(shù)，包括發(fā)射點號及坐標(biāo)、接收點號及坐標(biāo)、MN間的電位差ΔUMN/mV、供電電流I/mA、MN之間距LMN/m；測量電極分別置于不同的觀測點做扇形掃描測量，測量完畢后移動供電電極A、B至下一設(shè)計供電點重復(fù)以上步驟，直到測量完所有設(shè)計的觀測點；然后交換AB、MN的位置按上述步驟重復(fù)測量。
供電點距選擇依據(jù)當(dāng)工作面寬度大于100m時，供電點距常采用50m；當(dāng)工作面寬度小于100m時，供電點距常采用20m～30m；AB供電極之連線垂直于煤層平面。
測量MN之電極距LMN的選擇依據(jù)一般情況下，接收電極MN之間距等于巷道高度；特殊情況可根據(jù)礦井下實際的條件布置，但必須使M與N的連線垂直于煤層平面。
測量點距的選擇依據(jù)測量電極MN在扇形掃描測量過程中，每測量一次為一個測點，測點之間的距離為測量點距，根據(jù)探測分辨率的要求進(jìn)行選擇，測量點距一般為5m～10m。
根據(jù)電場的分布規(guī)律，使用地電成像方法計算出工作面內(nèi)部的視電阻或視電阻率的分布規(guī)律，展現(xiàn)在工作面范圍內(nèi)便得到所需要的探測結(jié)果； 1)參數(shù)計算公式視電阻Rs＝ΔUMN/I；視電阻率ρs＝K·ΔUMN/I，其中，ΔUMN為MN測量點之間的電位差，I為AB之間的供電電流； 2)地電成像方法一般借助于電位測量確定視電阻率的變化，視電阻率的變化取決于地層的非均勻性；為了描述這種非均勻性，引入局部視電阻率ρs(x，y)；即將所測范圍在工作面平面上被劃分成若干個地電單元ρs(x，y)；其中為各個單元的電阻率偏差；ρs0為理論數(shù)值，ρs為實測數(shù)值；利用視電阻率在不同單元的偏差e(x，y)，將此非均勻性按一定規(guī)則用平面圖表現(xiàn)出來，就是該工作面地電成像結(jié)果。
成圖方式為使用視電阻或視電阻率異常的參數(shù)，繪制工作面參數(shù)異常的平面圖；表示解釋結(jié)果。
參見圖3、圖3為一具體的工作面層透視探測結(jié)果-地電成像的平面示意圖。
A.物探設(shè)計該工作面寬180m，在904回風(fēng)巷布置110個測點，904運輸巷布置109個測點，測量點距均為10m，供電點距50m。
B.測量方法分別將兩供電電極A、B置于工作面回風(fēng)巷及測量電極M、N置于工作面運輸巷的頂?shù)装迳?，在測量過程中先相對固定A、B，在另一巷道移動M、N，呈扇形掃描測量。每移動一次MN，對供電電極AB分別測量一遍，測得一組參數(shù)(發(fā)射點號及坐標(biāo)、接收點號及坐標(biāo)、MN間的電位差ΔUMN/mV、供電電流I/mA、MN之間距LMN/m)。測點分布于以AB與MN連線垂直于巷道的軸線兩側(cè)各10個測點(共計21個)，測量完畢后，移動AB至下一設(shè)計供電點(供電點距50m)，重復(fù)以上步驟，......，直到測量完成整個工作面。
然后將AB、MN交換巷道，分別將AB置于工作面運輸巷，MN置于工作面回風(fēng)巷，再按上述步驟重復(fù)測量并測量完成整個工作面為止。
C.資料處理方法 根據(jù)測得的數(shù)據(jù)由公式計算出視電阻或視電阻率。通過地電成像方法計算研究工作面煤層內(nèi)部的電性變化規(guī)律，可以推斷工作面煤層內(nèi)是否存在地質(zhì)構(gòu)造。
D.解釋結(jié)果 根據(jù)采煤工作面的地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)與電性反映的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行物探-地質(zhì)解釋。一般情況下，煤層缺失帶呈低阻反映，斷層(含水)裂隙發(fā)育帶呈(明顯)低阻反映。本次904工作面視電阻率低阻異常平面圖顯示，圖中3號低阻異常帶推斷為煤層缺失帶，左上角的低阻異常區(qū)為斷層F1尖滅端的影響，右上角的低阻異常區(qū)為斷層F2、F3的影響帶，已被回采驗證。
權(quán)利要求
1、一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，其特征在于在工作面兩順槽布置供電電極A、B，建立特定直流電場，使該電場的電流線近似垂直于煤層層面，等電位面近似平行于煤層層位分布，測量電極M、N，順電流線布置，基本垂直于煤層平面、置于工作面兩順槽巷道的上下界面附近測量該電場的電位差；所測得M、N兩電極之間的電位差是主要來自工作面煤層內(nèi)部，因此所測結(jié)果主要包含了該工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)信息；根據(jù)電場的分布規(guī)律計算出所測工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)異常分布規(guī)律。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，其特征在于該方法所采用的井下施工技術(shù)為采用偶極-偶極的直流電法探測裝置方式；將兩個供電電極A、B和兩個測量電極M、N均垂直于煤層平面并分別置于工作面兩順槽巷道的上下界面附近；在測量過程中相對固定供電電極A、B，在另一巷道移動測量電極M、N，在AB-MN最短距離處為中軸線的兩側(cè)呈扇形掃描測量；每移動一次MN，測一組參數(shù)，包括發(fā)射點號及坐標(biāo)、接收點號及坐標(biāo)、MN間的電位差ΔUMN/mV、供電電流I/mA、MN之間距LMN/m；測量電極分別置于不同的觀測點做扇形掃描測量，測量完畢后移動供電電極A、B至下一設(shè)計供電點重復(fù)以上步驟，直到測量完所有設(shè)計的觀測點；然后交換AB、MN的位置按上述步驟重復(fù)測量；
供電點距選擇依據(jù)當(dāng)工作面寬度大于100m時，供電點距常采用50m；當(dāng)工作面寬度小于100m時，供電點距常采用20m～30m；AB供電極之連線垂直于煤層平面；
測量MN之電極距LMN的選擇依據(jù)一般情況下，接收電極MN之間距等于巷道高度；特殊情況可根據(jù)礦井下實際的條件布置，但必須使M與N的連線垂直于煤層平面；
測量點距的選擇依據(jù)測量電極MN在扇形掃描測量過程中，每測量一次為一個測點，測點之間的距離為測量點距，根據(jù)探測分辨率的要求進(jìn)行選擇，測量點距一般為5m～10m。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，其特征在于
根據(jù)電場的分布規(guī)律，使用地電成像方法計算出工作面內(nèi)部的視電阻或視電阻率的分布規(guī)律，展現(xiàn)在工作面范圍內(nèi)便得到所需要的探測結(jié)果；
1)參數(shù)計算公式視電阻Rs＝ΔUMN/I；視電阻率ρs＝K·ΔUMN/I，K＝4π/(1/RAM-1/RAN-1/RBM+1/RBN)，其中ΔUMN為MN測量點之間的電位差，I為AB之間的供電電流；
A(XA，YA，ZA)，B(XB，YB，ZB)，M(XM，YM，ZM)，N(XN，YN，ZN)分別為各電極的坐標(biāo)；
2)地電成像方法一般借助于電位測量確定視電阻率的變化，視電阻率的變化取決于地層的非均勻性；為了描述這種非均勻性，引入局部視電阻率ρs(x，y)；即將所測范圍在工作面平面上被劃分成若干個地電單元ρs(x，y)；其中為各個單元的電阻率偏差；ρs0為理論數(shù)值，ρs為實測數(shù)值；利用視電阻率在不同單元的偏差e(x，y)，將此非均勻性按一定規(guī)則用平面圖表現(xiàn)出來，就是該工作面地電成像結(jié)果。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法，其特征在于所述的成圖方式為使用視電阻或視電阻率異常的參數(shù)，繪制工作面參數(shù)異常的平面圖；表示解釋結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明是一種對采煤工作面順煤層透視的礦井直流電法探測方法。礦井直流電法主要用于巷道底板測深及迎頭前方的含水構(gòu)造，可以解決層位劃分和富水體圈定問題；但方法的主要問題是綜采工作面寬度常常大于180m，其內(nèi)部的隱伏構(gòu)造難以探測。本發(fā)明采用四極AB-MN的直流電法探測裝置方式，在測量過程中相對固定供電電極A、B，在另一巷道移動測量電極M、N，在AB-MN最短距離處為中軸線的兩側(cè)呈扇形掃描測量；根據(jù)電場的分布規(guī)律，使用地電成像方法計算出工作面內(nèi)部的視電阻和視電阻率的分布規(guī)律；由此探測工作面煤層內(nèi)部是否存在地質(zhì)構(gòu)造。其優(yōu)點是工作量較小、速度快、不受人為因素影響、客觀性高、準(zhǔn)確性高、屬于非破壞性探測方法。
文檔編號E21F17/00GK101603419SQ20091002325
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者韓德品, 丹 李 申請人:煤炭科學(xué)研究總院西安研究院