坑道全空间直流聚焦超前探测模拟研究

坑道全空间直流聚焦超前探测模拟研究
摘要：随着煤矿开采深度的不断增加，煤层的瓦斯爆炸岩层垮塌、突水等地
质灾害也时有发生，造成人民生命财产极大损失，也严重制约着煤炭工业的发展。

采掘工作是煤矿开采最重要的生产环节，其工作面前端的地质环境直接影响采掘
工作的安全程度。

因此，深入研究掘进巷道前端的地质环境超前探测、构建地质
模型数据等理论技术和方法，对提高掘进作业安全系数和效率具有特别重要的现
实意义。

本文主要分析坑道全空间直流聚焦超前探测模拟研究。

关键词：巷道掘进；电阻率法；超前探测
引言
在巷道挖掘中易存在隐伏现象（溶洞、含水构造等），对巷道挖掘工作造成
严重安全隐患，使安全事故发生几率极大提升。

若在巷道挖掘过程中提前知晓前
方构造性质与位置，可有针对性地进行防范，对可能存在的安全隐患发出预警，
提升巷道挖掘作业安全性，而电阻率法对巷道含水构造反映灵敏，可运用该方式
展开探测，以此保障地下巷道挖掘作业安全生产。

1、超前探测技术研究进展
自20世纪60年代以来，地质超前探测技术研究工作取得了十足的发展。

目前，超前探测方法主要有钻探法和物探法2类。

物探法又分为直流电法、瞬变电
磁法、探地雷达法、地震波法及其他红外线探测法等。

1.1钻探法
采用钻孔方法确定下伏地层是否存在采空区是最为传统的采空区探测方法。

按照探测方式，可分为冲击钻和回转取芯钻。

冲击钻是根据钻进速度的变化、钻压、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其他情况获取地质构造；回转取芯钻
是通过钻孔取芯鉴定地质构造。

该方法探测结果比较直观可靠、操作简单、预报
准确度和可信度比较高，但施工周期比较长、探测距离较短，严重影响生产效率。

同时，对掌子面前端的小构造水体探测会出现盲区，从而影响探测精度。

1.2直流电法
直流电法又称为电阻率法。

该探测技术是使用独立的1个或2~3个单极-多
极排列装置进行数据采集,利用人工作图法确定异常地质构造具体位置，属于三
维全空间地质探测。

常规的直流电法主要有视电阻率法、激发激化法、自然电场法、充电法等。

随着计算机技术、电磁学理论不断发展，直流电法在探测方式及
数据处理方法方面取得显著成果。

对三点源法存在异常体反映信号弱、探测精度
低及数据处理与解释技术低等缺陷，戴香华将供电电极从3点增加到7点，即在
掘进工作面两侧帮分别等间距布置3个供电电极，在掘进工作面正前方布置1个
供电电极，形成七点源法直流探测技术，提高地质和水文的探测准确度。

王运彬
将水平钻孔和直流电法相结合，即在钻孔内布置探测电极，完成超前钻孔直流电
法模型正演研究，有效地避免受巷道内干扰体的影响，使探测电性异常体识别更
灵敏，方法更有效。

1.3探地雷达法
探地雷达是利用物质的不同介电特性对地下或物体内不可见的目标体或界面
进行定位的电磁探测技术。

近年来，探地雷达应用于地质探测得到了诸多学者的
关注。

许献磊等设计并开发了一种分体插拔式低频组合天线，应用于地质探测，
可有效探测30m以上直径大于准3m的地质灾害源的位置和深度，突破了目前30m
探深局限，最大探测深度可达到80m，很好解决了探地雷达技术在矿井灾害源超
前探测中存在的探测范围小、精度低的难题。

李尧等提出一种改进BP算法，实
现对裂隙网络的位置和形态进行成像。

1.4红外线探测技术
红外线探测技术是一种非接触式无损探测方法，根据红外辐射场曲线的变化
规律，全空间、全方位探查地质异常体。

当掌子面前方存在含水构造时，红外辐
射场的曲线出现数据突变；反之，数据曲线近似为1条直线。

因该方法存在预报
距离短、受现场施工影响大、预报结果简单等缺点，同时不能定量推测水压、水
量、水体宽度及其准确位置。

因此，其应用于隧道地质超前预报中进行突水预测
是一种新的尝试。

2、快速智能掘进超前探测关键技术发展思考
2.1快速超前探测技术基础性研究
将勘探仪器与掘进机械一体化设计，开展随挖探测是保障巷道快速掘进的最
有效方式之一，可以实现掘进的平行性、灾害的精确管理，充分发挥掘进机械的
生产效率，是未来一个时期巷道快速智能掘进发展最必要的保障目前巷道快速
智能掘进的发展主要以悬臂式掘进机及其改进机械以及盾构掘进机为基础机械，
悬臂式掘进机主要用于煤巷，盾构掘进机主要用于岩巷。

在此基础上，适用于
巷道快速超前探测的技术体系可以发展为两类。

一是应用于煤巷的掘进机震源
是地震钻井技术和超长孔瞬变电磁联合的技术体系。

另一个是应用于岩巷的TBM
震源地挖掘技术与BEAM挖掘电法相结合的技术体系。

2.2极化成像和散射成像技术
近年来，极化图像和散射图像逐渐应用于矿山掘进工作面超前探测地震图像。

极化图像主要有贝叶斯压缩感知算法、三分量极化偏移图像生成算法、激励极化
法反转图像形成法等，图像质量得到了显着提高。

散射成像利用散射效应实现
透射散射介质和复杂介质的成像，具有超分辨率的特性。

方修政等人提出了一
种基于逆散射成像条件( ISC )的最小二乘逆时偏移方法，成像质量得到了显着
提高。

郭继坤等人提出了一种基于Born近似的逆散射图像生成算法，实现了对
象物准确重构的信息。

金红娣等人提出了基于惠更斯原理的散射成像方法，充
分利用地震信号的全波场信息，通过衍射扫描叠加方法、等效偏移距离成像方法
和散射成像方法三种方法的对比，验证了散射成像方法应用于巷道超前探测的可
能性。

程久龙等人提出了一种基于共散射点等效偏移距离的叠前时间偏移成像
方法，研究了该方法在倾斜界面特别是产生衍射波的部位界面有更好的成像效果，为矿井掘进工作面的超前探测提供了新的思路。

2.3前、后方异常体数据模拟
在本次探测验证实验中，巷道内前方异常体距离探测电极约13～43m，而后
方异常体距离探测电极约41～59m，异常体无重合现象，但电阻率法所得前方异
常体与视电阻率极值位置AM的距离差异较大，异常幅度相对较低，主要表现为
前方异常体电性异常特征不显著，且视电阻率呈现出整体偏低特征，由此可知，
巷道前方存在含水构造等异常体，除此之外，后方异常体所呈现出的电性反映与
下方异常体的数据模拟结果类似，由此可得，运用电阻率法进行巷道超前探测时，可根据视电阻率数值变化及异常位置判断异常体分布，且可以视电阻率数值偏小
或偏大判断巷道特定方向是否存在异常体，若巷道后方异常体对电性影响程度较小，此时可以异常极值位置为依据判断前方异常体所处区域，但仅在电阻率法应
用下无法保障探测可靠性。

巷道异常体超前探测受到电阻率、大小形状、位置、
煤层、岩层等因素影响，导致异常体探测精准度低，因此为发挥出电阻率法的探
测优势，可将其与其它超前探测技术进行融合，继而完成巷道掘进中的精准化超
前探测。

结束语
综上所述，完成巷道挖掘电阻率法超前探测技术原理解析后，通过数据模拟、实例探讨的方式展开分析，运用数据模拟展开效果验证时，确定电阻率法可探测
出巷道内存在异常体，但具体存在位置难以确认，经模拟试验后发现，可通过观
察电阻率变化情况确定含水构造异常体，由于电阻率法位置探测精准度较低，因
此为提升巷道挖掘安全性，可将电阻率法与其他探测方法相结合，实现精准探测。

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