一种基于直流电法的巷道水害超前探测快速布极系统及其探测方法与流程

本发明涉及矿井地球物理方法应用领域，特别是一种基于直流电法的巷道水害超前探测快速布极系统及其探测方法。

背景技术：
水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。在煤矿巷道掘进过程中，查明采掘工作面前方富水异常区位置是解决煤矿水害问题的关键。目前常用方法包括钻探和物探两大类。其中直流电法巷道超前探测技术被广泛采用，它是基于岩石、水体等电阻率差异的特点，利用点电源在空间的电场分布为等势球体这一特性，达到超前探测的目标。超前勘探前方含水异常常用方法为有：①三点源探测法，即在掘进面附近以一定间距布置供电电极A1、A2、A3，供电电极B置于无穷远处。测量电极M、N在巷道内按箭头所示方向以一定的间隔移动(图1)，每移动一次测量电极，测量一次A1、A2、A3所对应的视电阻率值ρ1、ρ2、ρ3；②7电极系测试法，此方法跟三点源测试法工作原理相同，其供电电极个数为七个(A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7)；③多极覆盖观测系统，即利用并行电法测试设备一次布置64个电极，在任一电极供电时，其余63个电极同步采集电位，可在短时间内完成多个供电点三极组合测试，取得大量的电极点电位数据，实现多极供电直流电法超前探测(引用文献：张平松，李永盛等.巷道掘进直流电阻率法超前探测技术应用探讨.2013，9(1)：136-138)。但这些常用方法都普遍存在着一个问题：在连续的对掘进面前方进行跟踪探测时，一条测线布置并测量完后，需要将所有供电电极和测量电极重新进行布置才能进行后续测量，该做法不仅耗时耗力，而且电极的一致性受到影响，对数据处理和解释带来不便。

技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决上述背景技术中存在的不足，提出一种施工更简单、工作效率更高，并能对掘进面前方含水异常体进行连续跟踪探测的基于直流电法的水害超前探测的自动布极的智能、快速探测方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于直流电法的水害超前探测快速布极系统，包括无穷远电极和主机，两者通过伸缩电缆连接，所述主机用于对系统进行参数设置、数据采集、数据管理及成图分析；还包括与主机连接的自动进位多芯测线，所述自动进位多芯测线包括若干组公母头航插，两组公母头航插之间通过若干条楔形测线连接，每组公母头航插上对应连接一个电极。两个所述电极之间的距离为2-10m，公母头航插组数量为距掘进迎头面(掘进迎头面即掘进工作面)最远探测目标距离除以电极间距并取整。本发明的另一目的是提供该系统的水害超前探测方法，包括以下步骤：(1)根据超前探测需求，结合相关地质资料，选择测量方法(电阻率法、激发极化法、自然电场法)；(2)将电缆铺在巷道底板上，电极固定于自动进位多芯测线上，无穷远电极放置于5倍的探测测线的距离后方(巷道迎头为前方)，将电极置于底板，将自动进位多芯测线、可伸缩电缆与主机相连，按下主机电源，设置相关参数后，系统开始工作；(3)一条测线测量完，数据保存后，将系统放置于原位等待；(4)在工作面再次掘进完一定距离后，对观测系统进行重新布置，其布置方式为：整体拔下自动进位多芯测线上的再后一个“母头航插、楔形测线及公头航插”组合及电极，将拔下的所述组合插接到未移动的自动进位多芯测线最靠前的公头航插上，把相应向前搬动的电极安装好，延长可伸缩电缆，向前移动主机并连接好主机，按下主机电源后，重新设置相关参数，进行测量；(5)测量并保存数据后，根据(3)-(4)步骤进行下次作业。步骤(1)中，所述测量方法采用三点源测试法、7电极系测试法或多极覆盖观测系统测试法。由上述技术方案可知：电极个数根据探测需求而定，如三点源测试法和7电极系测试法，供电电极为3个或7个，测量电极为2个，无穷远电极为1个；多极覆盖观测系统电极的个数可以为N个；所述自动进位多芯测线的长度根据探测需求而定。本发明的自动进位多芯测线改变了传统“一条线式”电缆连接方式，内部测线呈“楔形”分布并增加N个公母头航插，1个“母头航插、楔形测线及公头航插”组合对应连接1个电极，其电极个数的选择可根据巷道掘进工作面的探测具体而定。所述可伸缩线缆用于连接主机和无穷远电极；所述自动进位多芯测线、可伸缩电缆与主机相连，电极用皮筋、插拔夹或插头固定在自动进位多芯测线上，无穷远电极用皮筋、插拔夹或插头固定在可伸缩电缆上。本发明的有益效果是：改变传统电缆布置方式，增加了相应个数的“母头航插、楔形测线及公头航插”组合，其优点在于，第一，不用重新布置各个电极、测线及主机，只需移动与掘进距离相对应的一段测线、电极及主机，工作更方便快捷，省时省力，N-1个电极的耦合条件均不变；第二，改变传统的一掘一探模式，本发明的快捷方便可以对巷道掘进工作面进行实时跟踪探测，既随着掘进迎头的前行，逐点跟踪移动电极，提高了工作效率，又能保证掘进工作面前方地质异常体被及时、多次发现。附图说明图1是三点源测试法施工布置示意。图2是多次覆盖观测系统布置图。图3是本发明结构示意图。图4(a)是本发明自动进位多芯测线结构示意(移动前)。图4(b)是本发明自动进位多芯测线结构示意图(移动后)。图中，1.地下巷道，2.掘进面，3.主机，4.可伸缩电缆，5.无穷远电极，6.电极，7.自动进位多芯测线，8.母头航插，9.楔形测线，10.公头航插。具体实施方式下面结合附图对本发明进行详细说明。如图3所示，本发明主要包括主机3、自动进位多芯测线7、电极6、可伸缩电缆4、无穷远电极5。主机3用于对整个系统进行参数设置、数据采集、数据管理及成图分析等。自动进位多芯测线7、可伸缩电缆4分别与主机3相连，电极6用皮筋、插拔夹或插头固定在自动进位多芯测线7上，无穷远电极5用皮筋、插拔夹或插头固定在可伸缩电缆4上。如图4(a)所示，以6个电极为例，为体现本发明的特别之处，自动进位多芯测线7改变了传统“一条线式”电缆连接方式，内部测线呈“楔形”分布，其间为6个公母头航插，一段“母头航插8、楔形测线9及公头航插10”组合对应连接一个电极(6#、5#、4#、3#、2#、1#)；电极个数N的选择可根据巷道掘进工作面的探测具体而定，公母头航插段数量N或电极个数N为距掘进迎头面最远探测目标距离除以电极间距并取整。如电极间距为10m，最远探测目标距离为63m，两者相除并取整数为6，即布置6个电极，在6个电极中如需要3个作为供电电极，5个作为测量电极，通过主机切换即可。如图4(b)所示，当一段最靠后的“母头航插8、楔形测线9及公头航插10”组合及对应连接的电极6#整体搬至到未移动的“母头航插8、楔形测线9及公头航插10”组合最靠前的公头航插上时，自动进位多芯测线整体序号结构不变；即搬动的6#电极序号为1，后续的电极自动进1位(1#-2、2#-3、3#-4、4#-5、5#-6)。在具体实施过程中，本发明的操作步骤为：(1)根据超前探测距离需求，结合相关地质资料，选择合适的测量方法，如图1、图2，包括电阻率法、激发极化法和自然电位法探测；(2)下井后，铺设电缆，将电缆铺在巷道底板上，电极6固定于自动进位多芯测线7上，无穷远电极5放置于5倍探测距离后，并将电极置于底板，将自动进位多芯测线7、可伸缩电缆4与主机3相连，按下主机电源，设置相关参数后，系统开始工作；(3)一条测线测量完，数据保存后，将布置系统放置于原位等待；(4)等井下工作人员再次在工作面掘进完一定距离后，对观测系统进行重新布置，其布置方式为：整体拔下自动进位多芯测线7上的最后一段“母头航插8、楔形测线9及公头航插10”组合及电极6，将拔下的“母头航插8、楔形测线9及公头航插10”组合移至未移动的“母头航插8、楔形测线9及公头航插10”组合最靠前的公头航插上，相应向前搬动相对应的电极6并安装好，延长可伸缩电缆，向前移动主机并连接好主机，按下主机电源后，重新设置相关参数，进行测量；(5)测量并保存数据后，根据(3)-(4)步骤进行下次作业。上述仅为本发明的实施例而已，对本领域的技术人员来说，本发明有多种更改和变化。凡在本发明思想和原则之内，作出任何修改，等同替换，改进等，均应包括在发明的保护范围之内。