[发明专利]巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头

说明书

技术领域

本发明涉及一种巷道掘进钻孔激发极化超前探水预报方法、装置及探头，属于应用地球物理学电法探测的激发极化法的技术领域，尤其涉及巷道掘进面前方及周边含水体或其他不良地质体的电法超前探测与预报技术。

背景技术

超前探测主要上在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测，探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道，为巷道的安全掘进提供详细的探测资料。

目前用于煤矿超前探测的直接方法为钻探方法，钻探结果比较可靠，但施工周期较长，费用较高，对巷道的正常生产影响较大。超前探测的间接方法即采用物探方法进行探测。可用于超前探测的物探方法主要有四种方法——三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法、地震波法和矿井地质雷达法。其中地震波法主要解决地质构造界面的问题，对构造的富水性无法进行解释；矿用地质雷达现在主要处于研究试用阶段，其探测深度较小。

利用井下钻孔进行的超前探水技术是应煤矿井下巷道掘进安全的需要而提出的。一方面，水害是影响煤矿安全生产的最大隐患之一，而水害主要发生在巷道掘进和开采两个阶段；另一方面，近些年来对于开采阶段突水灾害的预测做了许多的水文物探工作，积累了丰富的经验并且较好地预防因采动引起的突水事故发生。但是，由于受施工空间的限制，巷道掘进中的前方水文地质一直没有有效的手段，普遍采用的手段就是在可疑区域打探孔，但是数量有限的探孔推断前方水文地质情况具有很大的局限性，无法确定前方岩层赋水性的三维空间分布情况，针对这种情况，我们提出了利用有限数量的探孔进行电法超前探水预报，以评价掘进前方的水文地质情况。

所有的物探方法对被探测物体的分辨率有一定的要求，被探测的物体大小、埋深、物体与围岩介质的物性差异大小和探测仪器的精度有关。以被探物体为球型水体为例，一般电法的探测物体的埋深是物体直径的2~5倍（h/r＝2~5倍,h－为埋深，r－球体半径），物体越大，介质物性差异越大、仪器精度越高，则探测深度越深。因此，三极法和瞬变电磁法用于超前深部探测时，常常被认为探测效果不佳。

激发极化效应：

在充电和放电过程中,由于电化学作用引起的这种随时间缓慢变化的附加电场现象,称为激发极化效应(IP效应)。

激发极化法：

以不同岩矿石的激电效应之差异为物质基础,通过观测和研究大地激电效应,以探查地下地质情况的一种勘探方法。岩石的激发极化效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层有关，矿物颗粒细小(如由黏土矿物组成)的岩石，充、放电速度很快,而颗粒较粗(如砂或砂砾组成)的岩石,充、放电速度则较慢。这对评价激电异常和利用激电法找水很有实际意义,也是用激电法寻找地下水的地球物理前提。 IP探测最大的优点是对水的反映直观,受地形影响小。

激发极化法（IP）被誉为“找水新法”，早在上世纪60年代，国外学者Victor Vacquier等提出了用激电二次场衰减速度找水的思想。在该思想的启迪下，我国也开展了有关研究，并将激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激化比等特征参数，这些参数不仅能较准确地找到各种类型的地下水资源，而且可以在同一水文地质单元内预测涌水量大小，在找水实践中发挥了越来越重要的作用，因此，利用电阻率法和IP法找水已形成行内共识。

检索文献：

【1】“瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用”，原载杂志“中国矿业大学学报”，2005,34(4):414～417；作者：刘树才，刘志新，姜志海。

【2】“地震勘探技术在煤矿水害防治中的应用”，原载杂志“中国煤田地质”，1999,11(增):70～73；作者：倪新辉，刘玉珠，高建文。

【3】“井下电法超前探测方法及其应用”，原载杂志“煤田地质与勘探”，2001,29(5):60～62；作者：刘青雯。

【4】“巷道直流电测深在探测陷落柱中的应用”，原载杂志“中国矿业大学学报”，2003,32（5）:479～481；作者：岳建华，刘树才，刘志新等。

【5】“煤矿水文物探技术与应用”中国矿业大学出版社，8～14，71～85，岳建华，刘树才，刘志新。

以上这些地球物理方法都是一种巷道或工作面的的超前探测方法，由于巷道或工作面干扰较大，巷道内掘进机、巷道底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施对观测结果影响较大，现场施工设计、数据观测及成果分析、解释较复杂，并且探测参数单一，只利用电阻率一个参数，排除多解性能力差，结果存在多解性，常采用的措施是多种方法结合使用，但这样又大大增加了超前预报费用。

发明内容