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地面-钻孔直流电法超前探测技术

地球科学 2024年第1期49卷 324-334页

作者：王鹏西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054

为实现煤矿巷道掘进前方隐蔽含水体的长距离、高精度超前探测,提出一种在地面供电、井下长距离超前钻孔中接收的地面-钻孔直流电法.模型计算结果表明:(1)孔旁异常体视电阻率曲线表现正负交替异常特征;(2)地面供电点和异常体的距离与异... 详细信息

为实现煤矿巷道掘进前方隐蔽含水体的长距离、高精度超前探测,提出一种在地面供电、井下长距离超前钻孔中接收的地面-钻孔直流电法.模型计算结果表明:(1)孔旁异常体视电阻率曲线表现正负交替异常特征;(2)地面供电点和异常体的距离与异常响应幅值负相关,异常体规模与异常宽度正相关;(3)依据视电阻率曲线可解释异常中心位置、相对测线方位和异常体宽度,提出了快速解释方法;(4)地面现场模拟试验验证了理论响应结果和解释方法的正确性.地面-钻孔直流电法超前探测技术能有效探测到钻孔旁侧的电性异常体,可以实现“一孔多用”,能够为长距离超前精细探查提供一种新的地球物理勘探手段.

关键词：地面-钻孔装置直流电法超前探测隐蔽含水体快速解释视电阻率地球物理

掘进工作面“三角锥”型直流电法超前探测正演研究

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煤炭学报 2022年第8期47卷 3015-3023页

作者：周官群王亚飞陈兴海岳明鑫翟福勤杨晓冬吴小平曹煜崔颖合肥工业大学资源与环境工程学院安徽合肥230009 中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司安徽合肥231202

为提高煤矿井下巷道超前探测水害和构造异常的准确性,利用超前探水的3个钻孔,并将这3个钻孔设计为互成28°的“三角锥”型,利用“三角锥”型观测系统的孔中三维直流电法进行超前探测突水灾害工作。在均质全空间和层状模型条件下设计体... 详细信息

为提高煤矿井下巷道超前探测水害和构造异常的准确性,利用超前探水的3个钻孔,并将这3个钻孔设计为互成28°的“三角锥”型,利用“三角锥”型观测系统的孔中三维直流电法进行超前探测突水灾害工作。在均质全空间和层状模型条件下设计体状低阻异常和板状低阻异常正演模型,并与传统直流电法超前探测对低阻异常响应特征进行比较。结果可见:①传统直流电法超前探观测系统在均质模型下,对体状低阻异常和板状低阻异常的响应基本相当;但在层状模型中“三角锥”型观测系统对体状异常的响应比传统超前探测系统大几十倍;而“三角锥”型观测系统对板状异常的响应是体状异常响应的数倍;②“三角锥”型观测系统对异常的响应比传统超前探观测系统更强,且对低阻模型产生的响应是传统超前探观测系统的数十倍甚至百倍,更有利于异常信号的获取;③由于电极布置在孔中,“三角锥”型观测系统极大地减小了巷道内各种人文因素对信号的干扰,规避了传统直流电法超前探测存在的问题,是超前探测一个新的解决方案,对均质模型下的简单地质异常体通过弧线交汇法可进行定位,而复杂模型的空间精确定位还有待电阻率三维反演解决。

关键词：三维直流电法超前探测 “三角锥”型观测系统正演模拟

基于钻孔TEM智能立体成像的快速掘进超前探测方法

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煤炭学报 2021年第2期46卷 578-590页

作者：范涛张幼振赵睿刘磊李博凡郭建磊李宇腾田小超蒋必辞中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077 陕西省重点科技创新团队(地球物理探测技术与装备创新团队) 陕西西安710077 煤炭行业工程研究中心(物探技术与装备) 陕西西安710077

采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一,巷道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段,矿井地球物理超前探测有效距离短,探测精度受井下复杂环境影响严重,制约巷道掘进速度,为解决探掘接续紧张矛盾,提出一种利用掘进工作面前方500 m长度定向... 详细信息

采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一,巷道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段,矿井地球物理超前探测有效距离短,探测精度受井下复杂环境影响严重,制约巷道掘进速度,为解决探掘接续紧张矛盾,提出一种利用掘进工作面前方500 m长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变电磁探测方法,该方法可实现超长距离水害超前探测。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向,以孔口所在平面右向为X轴正方向,下向为Y轴正方向的坐标系下,钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“正弦曲线”或“反向正弦曲线”形态,通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限,结合由水平分量异常场矢量合成得到的异常体中心偏转角度计算了异常体中心XOY平面旋转角。在此基础上,视每一个由垂直分量反演得到的电阻率为独立异常体,基于深度计算系数与电阻率的关系曲线推导出深度-电阻率与采样时间的映射关系,实现了电阻率与测点测道的一一对应,进一步采用K-means聚类算法智能定位其分布象限,计算了其XOY平面旋转角,再以定向钻孔轨迹为旋转轴,以测点所在孔位的倾角和方位角为旋转角进行坐标空间旋转,实现了非直钻孔径向的电阻率立体成像。计算了三维数值模拟和水槽物理模拟结果,对钻孔径向的异常体均取得了良好的立体成像效果。结合山西某煤矿井下的工程实践,对该方法远距离超前探测能力和精细立体解释掘进工作面前方地质异常体的性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:基于聚类的钻孔瞬变电磁立体成像方法是地球物理与机器学习的有机结合,该方法能够为井下掘进工作面隐伏水害超前探测精细解释提供技术支撑,此外,在掘进前开展定向钻孔中的长距离瞬变电磁水害立体超前探测,可有效保障巷道高效快速掘进。

关键词：快速掘进钻孔瞬变电磁法立体成像 K-means聚类水平分量反演超前探测

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巷道快速智能掘进超前探测技术与发展

煤炭学报 2021年第7期46卷 2158-2173页

作者：张平松李圣林邱实郭立全胡雄武深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001

新时代矿井智能化发展成为趋势,智能掘进条件下超前探测技术需要为掘进工作面安全生产提供保障。快速掘进、复杂地质条件下要求探测精度与预报实时程度高,随掘多源多场信息采集、大数据智能分析与透明化表达是超前探测系统构建的新发展... 详细信息

新时代矿井智能化发展成为趋势,智能掘进条件下超前探测技术需要为掘进工作面安全生产提供保障。快速掘进、复杂地质条件下要求探测精度与预报实时程度高,随掘多源多场信息采集、大数据智能分析与透明化表达是超前探测系统构建的新发展模式。结合近年来隧道、井巷等领域超前探测技术发展现状,讨论其方法、技术、应用等方面的问题及动态;在分析巷道快速智能掘进超前探测技术发展面临的复杂地质问题与基础技术选择局限等关键问题的基础上,提出能够满足巷道快速智能掘进超前探测需求的技术主要为随掘探测技术以及超长钻孔孔中探测技术等。在关键技术创新方面,给出了适用于巷道快速掘进的2种超前探测技术体系,分别是应用于煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的技术体系,以及应用于岩巷的TBM震源随掘地震技术与BEAM随掘电法联合的技术体系;并针对每种基础超前探测技术给出了发展思考,其中,随掘地震技术在原始信号脉冲化即重构处理研究的基础上,还需发展全空间三维立体探测、多波多分量方法、全波形反演、极化、散射等高精度探测与精细成像技术;超长钻孔孔中瞬变电磁技术首先需要突破有/无异常情况下孔中瞬变电磁信号数据特征的基础研究,在此基础上重点开展波场转换、全程全空间视电阻率反演等数据处理解释技术以及适用装备的研究;BEAM随掘电法技术的探测距离过短是未来首先需要解决的问题,其高精度数据解释与反演技术、含水异常体实时动态监测与定量化预测也是研究的重点与趋势。再者,为有效解决物探方法多解性问题,提出重点发展地震体波-槽波联合反演、地震-电法联合反演、地震-瞬变电磁联合反演等融合解释技术。在关键技术应用方面,提出构建地质保障技术体系海量基础数据库,融合5G通讯、大数据、云平台等智能技术,建设综掘工作面探测信息大数据分析平台,进行多源数据融合交互,实现对前方地质体的精准预报;充分利用含水异常体实时动态监测系统、随掘探测系统等提供的在线数据,创新数据智能解释方法,开发探测结果实时处理、动态成像等技术,提高探测时效性;通过异常判识精度与速度双重突破,促进掘进快速智能发展;在此基础上,构建高精度三维巷道地质地球物理模型,提高巷道超前地质透明化程度,动态展示随掘巷道三维空间地质条件,为实现快速智能掘进提供精准地质支撑。

关键词：快速智能掘进超前探测巷道随掘探测技术孔中探测技术

气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究

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石油钻探技术 2022年第6期50卷 14-20页

作者：李皋黎洪志简旭王军王松涛油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学) 四川成都610500 中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司重庆401147

为了实现气体钻井钻头前方风险地层的超前探测,设计了适用于气体钻井环境的井下冲击震源工具,并对其力学性能进行了研究。基于气体钻井的环境,设计了冲击震源工具的关键结构;根据室内冲击试验,优化了震源工具的吸振结构和冲击能量;使用R... 详细信息

为了实现气体钻井钻头前方风险地层的超前探测,设计了适用于气体钻井环境的井下冲击震源工具,并对其力学性能进行了研究。基于气体钻井的环境,设计了冲击震源工具的关键结构;根据室内冲击试验,优化了震源工具的吸振结构和冲击能量;使用RecurDyn软件,分析了冲击块的运动过程,优化了关键结构的参数;模拟研究了底部吸振圆盘的抗冲击能力和传动杆限位结构的抗拉强度,以及冲击震源工具的力学性能;给出了现场施工方案,分析了其主要优势。研究结果表明:聚四氟乙烯能显著衰减钻铤波及尾波,有利于识别时域内的地层弱反射波信号;冲击能量为50 J时,冲击振动波的传播距离为18.61 m,可满足气体钻井超前探测的目的;聚四氟乙烯受到的最大冲击力为1796.88 N时,其相对变形不超过0.03%,且传动杆限位结构处承受下部钻具的重量不能超过1150 kN。通过气体钻井随钻超前探测震源工具结构设计及力学性能模拟研究,为近钻头冲击震源工具的研制与应用提供了依据。

关键词：气体钻井超前探测震源工具冲击震源聚四氟乙烯冲击能量

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多装置矿井直流电法巷道超前探测研究及应用

煤炭学报 2021年第S01期46卷 396-405页

作者：王敏刘玉牟义高卫富翟培合晋能控股煤业集团地质测量部山西大同037000 华北地质勘查局综合普查大队物探院河北燕郊065201 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 山东科技大学资源学院山东泰安271019 山东科技大学地球科学与工程学院山东青岛266590

为了提高矿井直流电法在掘进巷道超前探测精度,通过分析不同观测装置类型下的超前探测效果,优化数据采集装置,建立一套适用于掘进工作面超前探测施工方式及数据处理体系。首先利用ANSYS有限元软件建立4个全空间地电模型,分别对直流电法... 详细信息

为了提高矿井直流电法在掘进巷道超前探测精度,通过分析不同观测装置类型下的超前探测效果,优化数据采集装置,建立一套适用于掘进工作面超前探测施工方式及数据处理体系。首先利用ANSYS有限元软件建立4个全空间地电模型,分别对直流电法二极装置“U”型观测方式与三极AMN,MNB装置进行数值模拟,然后进行反演计算,综合分析2种装置超前探测效果,并将优化后的装置应用到现场探测中去。结果表明:无巷道与有巷道含异常体模型相比,视电阻率形态特征均相似,有巷道模型比无巷道模型的整体视电阻率增大,影响三极AMN装置探测结果中异常体的圈定与识别;有巷道含异常体模型与现场实际情况最为相似,AMN装置整体阻值较大,异常反映不明显,难以响应掌子面前方低阻体,MNB装置可以响应该低阻体,但响应范围和位置误差较大,并随低阻体远离掌子面,异常信号反映越来越不明显,异常强度及异常中心越来越弱化,异常体难以圈定,且与异常体实际位置及大小偏差越来越大;二极装置“U”型观测方式一定程度上能够有效响应掌子面前方低阻体及其位置,响应信号反映较强,异常幅值强度和中心较明显,低阻体远离掌子面达到50 m时,仍可以识别低阻异常体。采用直流电法二极“U”型装置对某矿掘进巷道前方断层富水性进行探测,探测结果表明该断层呈低阻异常,后经钻孔揭露其为泥质充填的弱富水性断层,从而验证了二极装置“U”型观测方式在巷道超前探测中的应用效果。

关键词：二极装置三极装置超前探测异常体 ANSYS

非在线式随掘地震与钻爆法超前探测技术对比研究

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煤矿安全 2023年第3期54卷 187-192页

作者：杨焱钧王季刘海东杨小刚中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 国家能源集团乌海能源有限责任公司内蒙古乌海016000

地面钻探与三维地震成果显示山东某矿103_(下)03工作面东侧发育1条最大落差近300m的边界断层,利用YTZ3(B)型自记式地震仪在103_(下)03工作面运输巷开展非在线式随掘地震与钻爆法超前探测断层的对比试验,非在线式随掘地震解释断层上盘与... 详细信息

地面钻探与三维地震成果显示山东某矿103_(下)03工作面东侧发育1条最大落差近300m的边界断层,利用YTZ3(B)型自记式地震仪在103_(下)03工作面运输巷开展非在线式随掘地震与钻爆法超前探测断层的对比试验,非在线式随掘地震解释断层上盘与设计切眼最近距离110m,断层面较平直,走向约62°;钻爆法超前解释断层上盘与设计切眼最近距离108 m,断层面较平直,走向约61°。试验结果显示:非在线式随掘地震、钻爆法超前探测与地面钻探与三维地震综合解释的断层边界基本一致,3种独立的探测方法互相印证,提高了断层边界位置的探测精度,也表明了非在线式随掘地震探测巷道前方断层的有效性。

关键词：井下物探随掘地震钻爆法断层超前探测

隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方法研究

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地球物理学报 2020年第11期63卷 4256-4267页

作者：林婷婷林小雪万玲杨莹吉林大学仪器科学与电气工程学院长春130026 地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130026

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超... 详细信息

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方案,实际工作前,根据不同探测目标要求及环境噪声水平,优化仪器装置参数设计,提高解释结果准确性.本文首先在地面磁共振探测理论基础上,推导了考虑天线铺设角度影响的隧道矩形线圈激发场计算表达式,模拟了隧道准全空间磁共振测深正演响应.其次,基于后验模型协方差矩阵,计算模型参数标准偏差因子,划分参数不确定度等级.最后,构建三层含水模型,将第二层含水体作为观测目标.在仿真合成数据的基础上,分别探讨了电阻率、含水量、水体厚度、线圈边长、匝数、线圈旋转角度以及噪声水平等参数对目标含水体测定的影响.通过对比分析,得到如下结论:当探测目标前方地层的电阻率小于10Ωm时,目标含水体的不确定度随着该电阻率的增大而降低;当该电阻率大于10Ωm时,其不影响目标含水体的不确定度;目标体前方地层含水量的增大能够明显增加目标含水体的不确定度;目标层电阻率以及含水量对该层含水体的不确定度几乎不造成影响;目标层厚度越大其含水体的确定度越高;线圈边长和匝数的增大都能在很大程度上降低含水体的不确定度;线圈的偏转角度不影响目标体的不确定度;磁共振信号中噪声的幅度越大,含水体参数的不确定度越大.本文的研究结论有助于提高隧道磁共振探测数据反演参数的准确性,同时能够为实际探测提供预先优化参数的分析方案.

关键词：隧道磁共振超前探测模型参数不确定度

基于槽波的TVSP超前探测方法:可行性研究

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地球物理学报 2018年第9期61卷 3865-3875页

作者：蒋锦朋何良朱培民张强滕吉文中国地质大学地球物理与空间信息学院武汉430074 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学北京100049

针对隧道工程中TVSP(Tunnel Vertical Seismic Profiling)方法不适合于煤矿巷道超前探测的问题,介绍了煤矿巷道中的槽波TVSP超前探测方法原理和实现过程.通过理论和数值模拟证明:(1)当采用垂向集中力源(z方向)激发地震波时,地震波场z分... 详细信息

针对隧道工程中TVSP(Tunnel Vertical Seismic Profiling)方法不适合于煤矿巷道超前探测的问题,介绍了煤矿巷道中的槽波TVSP超前探测方法原理和实现过程.通过理论和数值模拟证明:(1)当采用垂向集中力源(z方向)激发地震波时,地震波场z分量受到巷道影响较小,且主要为Rayleigh型槽波,较为适合槽波超前探测;(2)采用传播相对稳定且易于识别的槽波埃里相峰值时间代替传统TVSP方法中体波的初至走时时间,能够较准确地确定断层在掌子面前方位置和断层角度;(3)当断层与巷道掘进方向夹角较大时,断层交点位置(断层线与巷道掘进方向的交点)具有很好的定位精度,但角度误差则会较大;当实际断层交点位置距离迎头较远时,断层交点位置定位精度会下降,但角度误差则影响较小;(4)基于槽波的TVSP方法对观测系统要求不高,数据处理过程简单,计算量小.

关键词：槽波超前探测 TVSP 扫描时距曲线