專利名稱：巷道多方位超前探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巷道超前探測技術(shù)，屬于地球物理勘探領(lǐng)域，特別涉及一種用于巷道掘進時對巷道前方及周邊的含水體或者其他不良地質(zhì)體進行探測的巷道多方位超前探測方法。
背景技術(shù)：
突水，是威脅我國煤礦安全的第二大殺手，其危害程度僅次于瓦斯事故。1995 2006年，全國發(fā)生各類突水事故14M起，死亡M32人，經(jīng)濟損失超過200億元。其中，掘進突水占突水總數(shù)的70%以上，而且其危害程度更是冠絕所有突水類型?，F(xiàn)在我國常用于煤礦井下突水構(gòu)造的物探方法有鉆探、地面物探和井下物探。鉆探主要指井下鉆探，用于巷道迎頭超前探測，直觀、明確，有水無水一目了然。但其缺點也很突出，且不考慮工期、造價等因素，其探測、控制范圍小，僅僅是“一孔之見”，有時鉆孔距水體只有幾米遠也無法探出，容易漏掉突水隱患是其致命弱點。而且由于井下施工面臨水壓大，存在高壓地下水沿鉆孔突出、釀成次生事故的風險。地面物探包括三維地震、瞬變電磁、電法等，由于方法自身局限性以及受地形變化、目標體埋深大等影響，不僅分辨率無法滿足生產(chǎn)需要、探測效果不理想，有時甚至無法開展工作。礦井電法、無線電波坑道透視、電透視、槽波地震、瑞利波、地質(zhì)雷達、TSP等，在井下探水、探構(gòu)造方面，各有優(yōu)勢，也有一定效果。但要用于巷道迎頭超前探測，則都存在種種不足或缺陷。無線電波坑道透視、槽波地震，能探構(gòu)造但不能探水；礦井電法、電透視對水敏感，但定向性差；瑞利波、地質(zhì)雷達定向性好，但測距小、對水不敏感。目前，國內(nèi)較多采用的礦井電法超前探測技術(shù)，可以探測巷道迎頭前方100 m范圍內(nèi)有無大的導水構(gòu)造及水體，但其最大的缺點是只能對巷道正前方(順巷道延長線方向)進行探測，控制范圍是一條線，屬于“線探測”范疇。在巷道掘進波及范圍內(nèi)的側(cè)前方及頂、底板方向，存在很大的探測盲區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以對巷道迎頭的正前方、側(cè)前方、斜上方、斜下方等多個方位進行異常地質(zhì)情況探測的巷道多方位巷道探測方法。為解決上述技術(shù)問題本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種巷道多方位超前探測方法， 首先，切斷巷道中全部工業(yè)用電電源，將巷道迎頭前方20m內(nèi)自由測量空間中的大型金屬件全部清除，然后，利用瞬變電磁儀采用分體式測量模式進行巷道超前探測，所述瞬變電磁儀包括發(fā)射機、發(fā)射線圈、接收機、接收線圈、前置放大器和數(shù)據(jù)采集繪圖系統(tǒng)，其步驟如下
(一)安裝發(fā)射機和發(fā)射線圈、接收機和接收線圈，所述接收線圈的后端面或前端面距巷道迎頭的距離為dl，dl小于lm，所述發(fā)射線圈的后端面或前端面的距巷道迎頭的距離為d2，dl小于d2，所述接收線圈與發(fā)射線圈之間的區(qū)域為測量施工區(qū)域，所述兩線圈相對端面之間的距離為10m-12m，將所述發(fā)射線圈的后端面或前端面設置于所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿上，將所述接收線圈的后端面或前端面設置于所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿上；
(二)在關(guān)閉所述發(fā)射機的情況下，利用所述接收機測量所述巷道內(nèi)的環(huán)境噪聲；
(三)利用幾何定向法或坡度規(guī)定向法確定探測方位，將通過所述巷道縱向中心軸線的豎直面作為水平方位角基準面，將通過所述巷道橫向中心軸線的水平面作為仰俯角基準
a所述幾何定向法的具體步驟如下
(1)設所述發(fā)射線圈的后端面或前端面的縱向中心軸線與所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿的交點為第二交點，所述接收線圈的后端面或前端面的縱向中心軸線與所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿的交點為第一交點，同步調(diào)整所述接收線圈與發(fā)射線圈，使兩線圈的相對端面與所述第一交點和第二交點的連線相垂直，所述第一交點和第二交點的連線與所述水平方位角基準面的夾角為α ；
(2)以仰俯角基準面為零度面，以所述發(fā)射線圈和接收線圈相對端面的水平中心軸線為旋轉(zhuǎn)軸同步調(diào)整兩線圈的仰角或俯角；每調(diào)整一次仰角或俯角，利用所述接收機對反映巷道周圍巖層構(gòu)造特性的感應電磁波信號進行一次測量操作；在調(diào)整仰角或俯角過程中， 所述接收線圈與發(fā)射線圈的相對端面始終保持平行；按照上述操作完成對巷道迎頭前方水平方位角為α的扇形區(qū)域的探測；
(3)將所述發(fā)射線圈和接收線圈分別沿各自所在的測量施工區(qū)域底面的邊沿移動，按照上述第(1)步驟、第(2)步驟的操作方法，完成對所述巷道迎頭前方多方位區(qū)域的探測；
b所述坡度規(guī)定向法的具體步驟如下
(1)同步調(diào)整所述發(fā)射線圈和接收線圈，使兩線圈的相對端面平行于巷道迎頭且相對端面中心點的連線與所述水平方位角基準面平行，將所述發(fā)射線圈和接收線圈沿相對端面的縱向中心軸線按逆時針或順時針方向同步水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中兩線圈的相對端面保持平行，使兩線圈相對端面的法線與所述水平方位角基準面之間的夾角為β ；
(2)按照所述第a步中第2步驟的操作完成對巷道迎頭前方方位角為β的扇形區(qū)域的探測；
(3)改變發(fā)射線圈的端面法線和接收線圈的端面法線與所述水平方位角基準面之間的夾角β，按照所述第b步中的第(1)步驟和第(2)步驟的操作方法，完成對所述巷道迎頭前方多方位區(qū)域的探測。 采用上述技術(shù)方案取得的有益效果如下
(1)本發(fā)明將常規(guī)超前探測只能控制正前方一條線的“線探測”，擴展為以巷道迎頭為頂點、平面控制范圍為扇形、空間控制范圍為正四棱錐體的“體探測”，將“一維探測”擴展為 “多維探測”；探測控制范圍覆蓋巷道正前方、側(cè)前方、斜上方、斜下方等多個方位，可最大限度地探測、查明巷道掘進時所波及的范圍內(nèi)隱伏突水隱患情況，為掘進安全提供物探技術(shù)依據(jù)；
(2)本發(fā)明中接收線圈與巷道迎頭之間的距離小于發(fā)射線圈與巷道迎頭之間的距離， 即采用接收線圈在前發(fā)射線圈在后的“收前發(fā)后”的分體式探測模式，而且探測過程中兩線圈的中心軸線相對獨立，最大限度的減少了巷道內(nèi)部環(huán)境條件對測量的干擾和影響，使得現(xiàn)場測量信號穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量好；而且此種探測模式克服了由于巷道空間狹小，造成同類探測技術(shù)適應性差、探測范圍小的弊端；
(3)本發(fā)明采用了幾何定向和坡度規(guī)定向兩種方位定向法，排除了外界環(huán)境對方位定向的各種影響，操作簡便、快捷、實用，測量效果好，提高了工作效率。(4)本發(fā)明大大提高了巷道迎頭超前探測的探測范圍、探測距離和探測效率，在確保掘進安全、配合高產(chǎn)高效礦井快速掘進、提高生產(chǎn)效率方面，現(xiàn)實意義巨大。


圖1為本發(fā)明的方法流程圖2為采用幾何定向法進行測量的主視圖； 圖3為圖2沿A-A向的剖視圖； 圖4為采用坡度規(guī)定向法進行測量的主視圖； 圖5為圖4沿A-A向的剖視其中，1、左側(cè)幫，2、接收線圈，3、右側(cè)幫，4發(fā)射線圈，5、前邊沿，6、后邊沿，7、巷道迎頭， 8、^ 點，9、_. ^Sc 點 ο
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對上述發(fā)明內(nèi)容中所述的技術(shù)方案進行詳細描述 實施例1 (參見圖2和圖3)
實施例1探測巷道的寬度為細，采用TEM-47瞬變電磁儀，TEM-47瞬變電磁儀包括發(fā)射機、發(fā)射線圈4、接收機、接收線圈2、前置放大器和數(shù)據(jù)采集繪圖系統(tǒng)，所述發(fā)射線圈4和接收線圈2相對獨立，其中，發(fā)射線圈4為邊長為Im的正方形線圈，所述接收線圈2為直徑為 Im的圓形線圈。首先，切斷所述巷道內(nèi)的全部工業(yè)用電電源，令掘進機自巷道迎頭7后退20m，讓出可以進行探測的自由測量空間，將自由測量空間內(nèi)的金屬件清除，以免在測試過程中產(chǎn)生各種干擾信號；然后利用TEM-47瞬變電磁儀采用分體式測量模式進行巷道超前探測，其步驟如下
(一)安裝發(fā)射機和發(fā)射線圈4、接收機和接收線圈2，所述接收線圈2的后端面(或前端面)距巷道迎頭7的距離為lm，所述發(fā)射線圈4的后端面(或前端面)距巷道迎頭7的距離為11m，所述接收線圈2與發(fā)射線圈4之間的區(qū)域為測量施工區(qū)域，所述兩線圈相對端面之間的距離約為IOm ；將所述發(fā)射線圈4的后端面(或前端面)設置于所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿5上，所述發(fā)射線圈4的中心軸線距離所述巷道的右側(cè)幫3的距離為0. 5m ；將所述接收線圈2的后端面(或前端面)置于所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿6上，所述接收線圈2的中心軸線距離所述巷道的左側(cè)幫1的距離為0. 5m ；
(二)在關(guān)閉所述發(fā)射機的情況下，利用所述接收機測量所述巷道內(nèi)的環(huán)境噪聲；
(三)利用幾何定向法確定探測方位，將通過所述巷道縱向中心軸線的豎直面作為水平方位角基準面，將通過所述巷道橫向中心軸線的水平面作為仰俯角基準面；
所述幾何定向法的具體步驟如下(1)設所述發(fā)射線圈4的后端面(或前端面)的縱向中心軸線與所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿5的交點為第二交點9，所述接收線圈2的后端面(或前端面)的縱向中心軸線與所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿6的交點為第一交點8，同步調(diào)整所述接收線圈2與發(fā)射線圈4，使兩線圈的相對端面與所述第一交點8和第二交點9的連線相垂直，所述第一交點8和第二交點9的連線與所述水平方位角基準面的夾角為α ；利用三角函數(shù)公式計算出 α=17° ；
(2)以仰俯角基準面為零度面，以所述發(fā)射線圈4和接收線圈2相對端面的橫向中心軸線為旋轉(zhuǎn)軸同步調(diào)整兩線圈的仰角(或俯角);每調(diào)整一次仰角(或俯角)，利用所述接收機對反映巷道周圍巖層構(gòu)造特性的感應電磁波信號進行一次測量操作；在調(diào)整仰角(或俯角)過程中，所述接收線圈2與發(fā)射線圈4的線圈相對端面始終保持平行；按照上述操作完成對巷道迎頭7前方水平方位角為17°的扇形區(qū)域的探測；
(3)將所述發(fā)射線圈4和接收線圈2分別沿各自所在的測量施工區(qū)域底面的邊沿移動， 其中，發(fā)射線圈4保持位置不變，接收線圈2沿所在的測量施工區(qū)域的后邊沿6以Im步距自左向右逐步移動，每移動一步，就要按照上述第(1)步驟、第(2)步驟的操作方法進行一次電磁波信號測量操作；按照此種方式，當所述接收線圈2移動到巷道的右側(cè)幫3時，即可完成對所述巷道迎頭7前方多方位區(qū)域的探測。上述探測過程中，可利用坡度規(guī)測量兩線圈的相對端面相對于仰俯角基準面的仰角(或俯角)的角度，測量時，坡度規(guī)設置于發(fā)射線圈4或接收線圈2的縱向邊框上，坡度規(guī)的零度線與發(fā)射線圈4或接收線圈2的橫向邊框平行；
上述探測過程可以實現(xiàn)對巷道迎頭7左前方17°、左前方11°、左前方6°、正前方 0°、右前方6°、右前方11°、右前方17°對應的扇形區(qū)域的探測。利用上述探測方法對磁縣六合工業(yè)有限公司2501主巷底板突水點進行探測，主巷底板標高-300 m。由探測數(shù)據(jù)形成的分析曲線總體呈似層狀展布，探測控制范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)低阻含水異常存在。此后，礦方施工了 3個探查鉆孔，未見任何地質(zhì)異常及水文地質(zhì)異常，巷道繼續(xù)掘進，順利通過該地區(qū)也未見任何異常，證實了瞬變電磁探測結(jié)論。遼源礦業(yè)集團公司金寶屯礦的南翼運輸大巷掘進遇斷層發(fā)生涌水，初始水量0. 96 m3/h,巷道揭露斷層48m后，水量增加至M 25 m3/h。利用上述探測方法對南翼運輸大巷進行探測，在巷道迎頭的水平方向上對左前方16. 7°、左前方11. 3°、左前方8. 5°、0° (正前)、右前方8. 5°、右前方11. 3°、右前方16. 7°等共7個角度對應的區(qū)域進行了探測；在垂直方向?qū)ρ鼋?20° ,+10°、0° ,-IO0、-20°等5個角度對應的區(qū)域進行了探測。探測數(shù)據(jù)顯示在巷道迎頭前方70m左右存在大片低阻異常。巷道掘進72 m后，剛剛進入探測異常區(qū)后，迎頭發(fā)生出水，總水量為83 m3/h，礦井排水壓力驟增，此結(jié)果證明了整個探測結(jié)果的真實性和可靠性。實施例2 (參見圖4和圖5)
與實施例1不同的是，探測過程中，實施例2采用所述坡度規(guī)定向法進行定向，所述坡度規(guī)定向法的具體步驟如下
(1)同步調(diào)整所述發(fā)射線圈4和接收線圈2，所述接收線圈2放置于所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿6的中間，所述發(fā)射線圈4放置于所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿5的中間，兩線圈相對端面的中心點位于所述水平方位角基準面上，兩線圈的相對端面與所述
7巷道迎頭7平行；將所述發(fā)射線圈4和接收線圈2沿兩線圈相對端面的縱向中心軸線按逆時針(或順時針)方向同步水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中兩線圈的相對端面保持平行，使兩線圈相對端面的法線與所述水平方位角基準面之間的夾角為20°。(2)按照實施例1中第(2)步驟的操作完成對巷道迎頭7前方水平方位角為20° 的扇形區(qū)域的探測；
(3)在實際要求范圍內(nèi)改變發(fā)射線圈4的端面法線和接收線圈2的端面法線與所述水平方位角基準面之間的夾角，按照所述第2中的第(1)步驟和第(2)步驟的操作方法，完成對所述巷道迎頭7前方多方位區(qū)域的探測。利用坡度規(guī)定向法進行探測，平面探測控制范圍可大幅度增大，探測范圍可達到巷道迎頭7前方180度的半圓形區(qū)域，適當調(diào)整仰角(或俯角)，便可實現(xiàn)巷道迎頭7前方半球形區(qū)域的探測。上述探測過程中，可利用坡度規(guī)測量所述發(fā)射線圈4和接收線圈2的相對端面相對于水平方位角基準面的方位角角度，測量時，坡度規(guī)的底邊與所述巷道縱向中心軸線平行放置，坡度規(guī)的零度線與所述巷道的橫向中心軸線重合。所述發(fā)射線圈4和接收線圈2的仰角(或俯角)角度的測量方法與實施例1中的測量方法相同。針對冀中能源股份公司邢東礦1121運輸巷掘進中發(fā)生底板鉆孔出水、頂板淋水情況，掘進到導27點前69 m時，迎頭及左幫煤壁出水，總涌水量達到17.4 m3/h， 接著煤壁出水變混，出現(xiàn)明顯的突水征兆。采用上述探測方法以突水段為中心對斜下方-15°、-30°、-50°等3個角度對應的區(qū)域進行了多方位超前探測，測試出在距離巷道迎頭150 m的出水段附近淺部存在一個小的低阻異常區(qū)，但范圍很小，出水巷段下方及周圍巖層無明顯低阻異常存在。冀中能源股份公司葛泉礦13507工作面中間巷掘進中發(fā)生底板出水，水量20m3/ h，采用上述探測方法在距突水點約60m的13508運料巷進行多方位超前探測。在平面方位上對110° 190°等9個角度對應的區(qū)域進行探測；垂直方向上對仰角為+30°、+20°、 +10° ,-IO0、-20°、-30°等6個角度對應的區(qū)域進行探測。探測結(jié)果顯示，突水點右側(cè)存在一個低阻異常區(qū)，低阻區(qū)位置恰好處于幾條小斷層交匯部位，表明該出水源于斷層交叉點附近，直接原因系中間巷揭露小斷層引起。采用上述探測方法在吉煤集團西安礦1011中間通路進行巷道多方位超前探測。 在水平方向?qū)φ?°、左前方6°、左前方11°、左前方17°、左前方27°等5個角度對應的區(qū)域進行了探測，垂直方向上對仰角為+35°、+45°、+55°、+65°等4個角度對應的區(qū)域進行了探測。探測結(jié)果表明在小窯井底車場附近存在低阻異常，但均為封閉式異常，向外圍延伸有限，表明巷道存在積水，但積水范圍有限。正常情況下，一般不會發(fā)生回采透水事故。從而為1011工作面安全回采提供了物探技術(shù)依據(jù)。
權(quán)利要求
1. 一種巷道多方位超前探測方法，其特征在于首先，切斷巷道中全部工業(yè)用電電源，將巷道迎頭(7)前方20m內(nèi)自由測量空間中的金屬件全部清除，然后，利用瞬變電磁儀采用分體式測量模式進行巷道超前探測，所述瞬變電磁儀包括發(fā)射機、發(fā)射線圈(4)、接收機、接收線圈(2)、前置放大器和數(shù)據(jù)采集繪圖系統(tǒng)， 其步驟如下(一)安裝發(fā)射機和發(fā)射線圈(4)、接收機和接收線圈(2)，所述接收線圈(2)的后端面或前端面距巷道迎頭(7)的距離為dl，dl小于lm，所述發(fā)射線圈(4)的后端面或前端面距巷道迎頭(7)的距離為d2，dl小于d2，所述接收線圈(2)與發(fā)射線圈(4)之間的區(qū)域為測量施工區(qū)域，所述兩線圈相對端面之間的距離為10m-12m，將所述發(fā)射線圈(4)的后端面或前端面設置于所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿(5)上，將所述接收線圈(2)的后端面或前端面設置于所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿(6)上；(二)在關(guān)閉所述發(fā)射機的情況下，利用所述接收機測量所述巷道內(nèi)的環(huán)境噪聲；(三)利用幾何定向法或坡度規(guī)定向法確定探測方位，將通過所述巷道縱向中心軸線的豎直面作為水平方位角基準面，將通過所述巷道橫向中心軸線的水平面作為仰俯角基準a所述幾何定向法的具體步驟如下(1)設所述發(fā)射線圈(4)的后端面或前端面的縱向中心軸線與所述測量施工區(qū)域的底面的前邊沿(5)的交點為第二交點(9)，所述接收線圈(2)的后端面或前端面的縱向中心軸線與所述測量施工區(qū)域的底面的后邊沿(6)的交點為第一交點(8)，同步調(diào)整所述接收線圈(2)與發(fā)射線圈(4)，使兩線圈的相對端面與所述第一交點(8)和第二交點(9)的連線相垂直，所述第一交點(8)和第二交點(9)的連線與所述水平方位角基準面的夾角為α ；(2)以仰俯角基準面為零度面，以所述發(fā)射線圈(4)和接收線圈(2)相對端面的水平中心軸線為旋轉(zhuǎn)軸同步調(diào)整兩線圈的仰角或俯角；每調(diào)整一次仰角或俯角，利用所述接收機對反映巷道周圍巖層構(gòu)造特性的感應電磁波信號進行一次測量操作；在調(diào)整仰角或俯角過程中，所述接收線圈(2)與發(fā)射線圈(4)的線圈的相對端面始終保持平行；按照上述操作完成對巷道迎頭(7)前方水平方位角為α的扇形區(qū)域的探測；(3)將所述發(fā)射線圈(4)和接收線圈(2)分別沿各自所在的測量施工區(qū)域底面的邊沿移動，改變所述第一交點(8)和第二交點(9)的連線與所述水平方位角基準面的夾角α，按照上述第(1)步驟、第(2)步驟的操作方法，完成對所述巷道迎頭(7)前方多方位區(qū)域的探測；b所述坡度規(guī)定向法的具體步驟如下(1)同步調(diào)整所述發(fā)射線圈(4)和接收線圈(2 )，使兩線圈的相對端面平行于巷道迎頭 (7)且相對端面中心點的連線與所述水平方位角基準面平行，將所述發(fā)射線圈(4)和接收線圈(2)沿相對端面的縱向中心軸線按逆時針或順時針方向同步水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中兩線圈的相對端面保持平行，兩線圈相對端面的法線與所述水平方位角基準面之間的夾角為 β ；(2)按照所述第a步中第(2)步驟的操作完成對巷道迎頭(7)前方方位角為β的扇形區(qū)域的探測；(3)改變發(fā)射線圈(4)的端面法線和接收線圈(2)的端面法線與所述水平方位角基準面之間的夾角β，按照所述第b步中的第(1)步驟和第(2)步驟的操作方法，完成對所述巷道迎頭(7)前方多方位區(qū)域的探測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于巷道掘進時對巷道迎頭前方及周邊的含水體或其他不良地質(zhì)體進行探測的巷道多方位超前探測方法，首先，切斷巷道中全部工業(yè)用電電源，清除巷道內(nèi)自由測量空間內(nèi)的金屬件，然后利用瞬變電磁儀采用分體式測量模式對巷道進行多方位超前探測，探測過程中利用幾何定向法或坡度規(guī)定向法確定探測方位。本發(fā)明將常規(guī)超前探測的“一維探測”拓展為“多維探測”，可最大限度地查明巷道掘進波及范圍內(nèi)隱伏突水隱患情況，為掘進安全提供物探技術(shù)依據(jù)；本發(fā)明擴大了巷道迎頭超前探測的探測范圍和探測距離，大大提高了探測效率，在確保掘進安全、配合高產(chǎn)高效礦井快速掘進、提高生產(chǎn)效率方面，現(xiàn)實意義巨大。
文檔編號G01V3/30GK102213773SQ20111009515
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者周興國, 周杰民, 孫吉益, 崔煥玉, 張根良, 李全明, 李智文, 李玉寶, 杜木民, 武延輝, 王璽瑞, 趙立松, 郭培鵬 申請人:河北煤炭科學研究院