一種用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法
2023-05-06 12:56:56
專利名稱：：一種用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法
技術領域：
：本發明涉及一種用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法。
背景技術：
：巷道或隧道掌子面前方存在的安全隱患，包括採空區以及巖溶、斷層、瓦斯聚集體等等，與其周圍圍巖存在一定的電性差異，電法勘探用於隱患預報具有地球物理前提。目前用於隱患預測預報的電法勘探在巷道內開展工作，受空間限制和電場幹擾因素的影響，難以獲信噪比高的數據資料用於隱患預警預報；國外用於電法勘探的BEAM法，儀器裝備昂貴，需要專門軟體，國內極少引進，不便推廣；另外，由於需要在巷道內供電，在煤礦等礦山生產中，考慮到安標因素，儀器的安標設計、供電電流的控制、供電電極等部件的處理難度很大，這也是電法勘探難以推廣應用的又一原因；此外，電法儀器超前預報工作在每次測試時都需要技術人員把儀器帶到井巷中，作業周期長，施工協調也不方便。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種預報準確性高、使用安全、成本低廉且作業周期短，施工協調方便的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法。為了解決上述技術問題，本發明提供的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，在隧道或巷道走向方向上，在隧道或巷道走向的前端接地埋設第一供電電極，在隧道或巷道走向的後端接地埋設第二供電電極，第一供電電極為正極、第二供電電極為負極或第一供電電極為負極、第二供電電極為正極，第一供電電極和第二供電電極供電建立順隧道或巷道走向的地下電流場，使地下電流場在隧道或巷道的待測巷道區段內近似均勻，在掌子面布設一個第一測量電極，另一個第二測量電極布設於隧道內或共用隧道、巷道走向的後端接地埋設的供電電極，隨著隧道或巷道掘進，用置於地表的電法測量裝置通過第一測量電極和第二測量電極測量並記錄在近似均勻電流場背景下的電場或激發極化率的變化，根據電場或激發極化率的變化規律來預測預報掌子面附近隱患的存在，當掌子面迫近隱患時，激勵響應電場或激發極化率都會出現明顯而有規律的變化，利用這些變化特徵準確預報隱患的存在並實現預警。所述的第一供電電極和第二供電電極埋置於地表附近，或通過鑽孔埋置於井中。所述的第一供電電極和第二供電電極分別遠離隧道或巷道擬測量段的端點，大於等於探測段長度2倍。所述的第一供電電極和第二供電電極的設置根據巷道掘進進度分段進行布置。採用上述技術方案的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，當掌子面迫近含水隱患(低阻)或空洞(高阻)、高瓦斯聚集區時，激勵響應電場都會出現明顯而有規律的變化，利用這些變化特徵可以準確預報隱患的存在並實現預警；電法測量參數可以是電位、電場強度，也可以是激發極化率。具有如下幾個特點—是所用設備無須安標處理，常規電法儀器即可勝任。二是克服了在巷道內布極、供電的複雜作業程序，改為通過地表或鑽井埋置電極，供電一次完成，建立在擬預報巷道區段上近似均勻分布的電流場，避開了電極處理、電流大小限制等麻煩。三是技術人員和測量儀器儀表都可以不在掌子面，可以在地表建立觀測站，方便快捷；由於在地表完成測量，可以通過電腦或報警裝置來實時完成數據的存儲、處理、圖像顯示和預警預報。四是作為一種可選測量方式，可以僅在掌子面布設一個電極或電極組，通過一根導線即可連接到地表觀測站。五則測量數據為電場或激發極化率，即使不通過複雜計算程序，根據電場和激發極化率的漸變特徵也可對隱患進行預警預報。以本專利方法為基礎可以作為一種成套設備的理論方法基礎，通過設備集成，生產專業化裝備，廣泛應用於巷道工程安全施工，服務於國民經濟建設各個領域。綜上所述，本發明是一種預報準確性高、使用安全、成本低廉且作業周期短，施工協調方便的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，無須巷道內供電，電極布置簡便，預警預報成本低，廣泛適用於地下煤礦及礦山生產、交通、水利水電、地鐵等含巷道或隧道施工的工程領域。圖1是地下均勻半空間中球體電場異常計算原理示意圖；圖2是算例1巷道內掌子面電位隨迫近模擬低阻隱患球心距離變化曲線；圖3是算例1巷道內掌子面電場強度隨迫近模擬低阻隱患球心距離變化曲線；圖4是算例2巷道內掌子面電位隨迫近模擬低阻隱患球心距離變化曲線；圖5是算例2巷道內掌子面電場強度隨迫近模擬低阻隱患球心距離變化曲線；圖6是地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法測量工作布置示意圖。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。基本原理在電法勘探中，當第一供電電極和第二供電電極接地供電時，在第一供電電極和第二供電電極中間l/3或l/2段內電場變化很小，可以近似看作均勻電場；自然界中常見的近似等軸地質隱患，如地下溶洞、採空區空腔或囊狀隱患等，可近似看作球體。假設在均勻各向同性半空間巖體(電阻率P》中，掌子面6前方的地下隱患為一球體結構構造，其內充填介質電阻率為P2。當充填介質為水或泥時，P2Pp為高阻異常體。原理見圖l。假設球心電位為零電位，可以計算地下介質中球外順電流場方向指向球心的任意一點P的電位formulaseeoriginaldocumentpage4式中，r。為球體隱患的半徑，r為觀測距離球體中心的距離，h為P點到球體表面的距離，j。為均勻電流場的電流密度，方向為隧道走向x。式中第一項為球體存在時背景電位，第二項為異常電位。如果取電場強度為觀測信號，其表達式為E-Joft—4f^(J)、A(2)2,、'/錢可求出電場強度異常百分比PE=4x卜-■pi(3)對地下空間任意一點，在電法勘探中存在電場強度與視電阻率關係ps=E/j0(4)因此，電場強度的測量數據可以轉換成視電阻率結果，電場強度的異常變化率也可以相當於視電阻率的異常變化率。根據表達式(3)可以計算出電場強度測量時的理想分辨能力，如表l所示，以10%為有效異常計算極限分辨能力，極限分辨能力表徵參數為h/r。。從表l可以看出，對於球狀結構異常，本發明提及的電法勘探方法具有很好的分辨能力。表1.地下均勻半空間中順電流場從徑向接近球體隱患時的極限分辨能力tableseeoriginaldocumentpage5如果隱患為低阻或高阻的圓柱狀異常體，則對於垂直於巷道走向方向的同樣半徑異常體，電法勘探的分辨能力還可以提高；對於斷層一類的板狀體隱患，經過計算，電法勘探也有好的分辨能力；對於以激發極化法為電法勘探原理的論述可以參考相關資料，這裡不做贅述。以上理論為隱患電法超前預報提供了理論支撐。算例1:對於儲水隱患，如球體隱患半逕取5米，內充填水體電阻率50歐姆米，圍巖電阻率為1000歐姆米，電流密度取0.lmA/m2，r取6米100米，如圖中所示橫坐標。根據公式1和公式3分別計算觀測點P的電位和電場強度。從圖2可以看出，對於上述模擬隱患，當掌子面從100米距離前移至20米接近低阻隱患體時，電位從500mV降低至lOOmV;從圖3可以看出，在掌子面迫近隱患時，如圖中40米至6米時，電場強度急劇減小。算例2:對於無充填溶洞等球狀隱患，球體隱患半逕取5米，空腔球體電阻率為無窮大(①)，圍巖電阻率為1000歐姆米，電流密度取0.lmA/m2，r取6米100米，為圖3中所示橫坐標。根據公式1和公式3分別計算觀測點P的理論電位和電場強度。從圖4可以看出，對於上述模擬隱患，當掌子面從100米距離前移至20米接近高阻隱患體時，電位從10V降低至2V;從圖5也可以看出，在掌子面迫近隱患時，如圖5中40米至6米時，電場強度急劇減小。值得注意的是，從兩個算例中電場強度分布特徵可以看出，當掌子面迫近隱患時，電場強度急劇變化，是很好的預警參數或標誌。測量方法1:參見圖6，準備電法儀器11如電法勘探用電場測量儀器或激發極化法測量儀器一套，筆記本電腦2—臺，供電電源9通過同步電纜10與電法儀器11連接，電法儀器11通過通訊線17與筆記本電腦2連接，這些設備均布置於地表15上。根據設計隧道或巷道的進出口位置以及前進方向，在地表15其走向上，於待測巷道區段外延長線14上布置第一供電電極12、第二供電電極13，第一供電電極12和第二供電電極13埋置於地表15附近，或通過鑽孔埋置於井中，第一供電電極12和第二供電電極13距離大於等於預測段距離2倍，巷道埋深大則增大供電極距或電極深度，第一供電電極12和第二供電電極13的設置根據巷道掘進進度分段進行布置。第一供電電極12、第二供電電極13通過導線1分別連接至電法儀器的供電電源9的正、負極；已掘進巷道5前端為待掘進巷道8，已掘進巷道5後端連接巷道豎井4，在隧道掌子面6埋置第一測量電極7作為測量電極正極，該點同時也是電位測量的記錄點，設坐標為x;第二測量電極與供電電極的第二供電電極13(負極)導線連通；外接電源連接至電法儀器11。開啟電法儀器11，電法儀器11的測量數據電位差AUM(X)或極化率a(x)通過埠輸出或讀數至電腦2存儲並繪製AUM(x)-x曲線或a(x)-x曲線顯示，電場強度可由相鄰兩觀測點的電位差近似求取，相對於正常背景電場，電場強度或極化率的突變表徵掌子面6附近或前方有隱患存在；電腦2利用其內置喇叭3或多級顏色預警等作為報警裝置，也可通過其它通訊方式通知巷道施工現場。測量方法2:準備電法勘探用電場測量儀器或激發極化法測量儀器一套，筆記本電腦一臺。根據設計隧道或巷道的進出口位置以及前進方向，在地表15其走向上，於待測巷道區段外延長線上布置第一供電電極12、第二供電電極13，第一供電電極12、第二供電電極13距離大於預測段距離2倍，巷道埋深增大則增大供電極距或電極深度；第一供電電極12、第二供電電極13通過導線1分別連接至電法儀器11的正、負極；第一測量電極7、第二測量電極極置於巷道內同一側，並在後續測量中保持第一測量電極7、第二測量電極的極距不變並沿巷道走向布置，測量電場的記錄點位於第一測量電極7、第二測量電極中點，設其坐標為x，第一測量電極7、第二測量電極通過導線1分別連接至電法勘探儀器的輸入端；開啟電法儀器11，電法儀器11的測量數據AUm(x)或極化率a(x)通過埠輸出或讀數至電腦存儲繪製AUM(x)-x曲線或a(x)-x曲線顯示，相對於正常背景電場，電場或極化率的突變表徵掌子面6附近或前方有隱患存在；電腦2利用其內置喇叭3或多級顏色預警等作為報警裝置，也可通過其它通訊方式通知巷道施工現場。權利要求一種用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，其特徵是在隧道或巷道走向方向上，在隧道或巷道走向的前端接地埋設第一供電電極，在隧道或巷道走向的後端接地埋設第二供電電極，第一供電電極為正極、第二供電電極為負極或第一供電電極為負極、第二供電電極為正極，第一供電電極和第二供電電極供電建立順隧道或巷道走向的地下電流場，使地下電流場在隧道或巷道的待測巷道區段內近似均勻，在掌子面布設一個第一測量電極，另一個第二測量電極布設於隧道內或共用隧道、巷道走向的後端接地埋設的供電電極，隨著隧道或巷道掘進，用置於地表的電法測量裝置通過第一測量電極和第二測量電極測量並記錄在近似均勻電流場背景下的電場或激發極化率的變化，根據電場或激發極化率的變化規律來預測預報掌子面附近隱患的存在，當掌子面迫近隱患時，激勵響應電場或激發極化率都會出現明顯而有規律的變化，利用這些變化特徵準確預報隱患的存在並實現預警。2.根據權利要求1所述的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，其特徵是所述的第一供電電極和第二供電電極埋置於地表附近，或通過鑽孔埋置於井中。3.根據權利要求1或2所述的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，其特徵是所述的第一供電電極和第二供電電極分別遠離隧道或巷道擬測量段的端點，大於等於探測段長度2倍。4.根據權利要求1或2所述的用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法，其特徵是所述的第一供電電極和第二供電電極的設置根據巷道掘進進度分段進行布置。全文摘要本發明公開一種用於地下掘進工程中的隱患電法超前預報方法。在隧道或巷道走向方向上，通過埋置於地下的長距離定源第一供電電極、第二供電電極建立順隧道或巷道走向的近似均勻電流場，隨著隧道掘進，通過埋置於巷道掌子面的測量電極和可置於巷道內或外的測量電極測量並記錄在近似均勻電流場背景下的電場變化，根據電場變化規律來預測預報掌子面附近隱患的存在。電法儀器可置於地表設站觀測，無須巷道內供電，電極布置簡便，預警預報成本低，廣泛適用於地下煤礦及礦山生產、交通、水利水電、地鐵等含巷道或隧道施工的工程領域。文檔編號E21F17/18GK101706585SQ20091004464公開日2010年5月12日申請日期2009年10月28日優先權日2009年10月28日發明者朱德兵申請人:中南大學