礦井掘進工作面地球物理方法超前探測技術(shù)綜述

礦井掘進工作面地球物理方法超前探測技術(shù)綜述

鉆井前地球物理方法（以下簡稱地球物理）的提前勘探是工作環(huán)境特殊、技術(shù)難度高、工作要求高以及與礦山安全相關(guān)的地球物理勘探工作。礦井掘進工作面工作環(huán)境艱苦,數(shù)據(jù)采集要在高溫、高濕、高粉塵、高噪音的環(huán)境中完成,勞動強度大。掘進工作面空間狹小,限制了物探觀測系統(tǒng)的布置和探測裝備的大小,進而影響了探測效果。掘進工作面具有高瓦斯等特殊條件,儀器要求防爆,這也限制了物探儀器的發(fā)射功率和地震震源的選擇。掘進工作面是準(zhǔn)全空間條件,地面的探測理論不能直接應(yīng)用于井下,這對數(shù)據(jù)處理與解釋提出了更高的要求。掘進工作面干擾復(fù)雜,如鐵軌、錨網(wǎng)、工業(yè)電、機械振動等,降低了數(shù)據(jù)信噪比。掘進工作面在物探超前探測之后,便是鉆探驗證,緊接著又是巷道掘進揭露,因此礦井掘進工作面超前探測具有很高的技術(shù)要求。近幾年來,隨著煤礦山逐步進入深部開采階段,高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓、開采強擾動等地質(zhì)環(huán)境變化,對掘進工作面超前探測提出了更高的要求。因此,進一步完善和發(fā)展掘進工作面超前探測理論體系,開發(fā)新技術(shù)新方法,是保障礦井安全生產(chǎn)的迫切需求。1鉆井準(zhǔn)備工作的初步研究1.1特殊方法技術(shù)的應(yīng)用地震類超前探測方法利用地震波在不均勻地質(zhì)體中傳播時產(chǎn)生的反射、繞射、散射等特性,來預(yù)報巷道掘進前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)狀況,主要有反射波法和瑞雷波法。礦井掘進工作面反射波法超前探測技術(shù)方法主要有:沈鴻雁等提出了RTSP隧道井巷地震超前預(yù)報方法,采用聯(lián)合濾波技術(shù)進行波場分離,根據(jù)繞射疊加原理和鏡像原理進行成像。劉盛東等提出了MSP礦井地震波超前探測方法,采用巷道多次覆蓋觀測系統(tǒng)采集地震數(shù)據(jù),通過能量合成與分解、波場分離、偏移疊加方法進行數(shù)據(jù)處理,可以解決巷道前方100m內(nèi)的各種地質(zhì)構(gòu)造預(yù)報。賀志云針對MMS-1型礦井多波地震儀的三分量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),開發(fā)了礦井多分量地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),為多波地震超前探測提供了軟件支持。梁慶華等提出了礦井多波多分量超前探測方法,能夠較準(zhǔn)確地探測到掘進工作面前方100m內(nèi)斷層、圍巖裂隙、巖石破碎帶等情況。此外,針對隧道的地震反射波法超前探測技術(shù)有時也被用于礦井超前探測,主要有鐘世航提出的陸地聲納法、曾昭璜提出的地震負視速度法、瑞士AMBERG公司開發(fā)的TSP隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng),日本OYO公司、美國NSA公司、德國GFZ公司等也研發(fā)了基于反射波法的隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)。地震反射波法優(yōu)點為探測距離長,分辨率高,信息豐富,對地質(zhì)異常特別是斷層反映較靈敏、定位較準(zhǔn)確;缺點為由于受掘進工作面狹小空間觀測條件的限制以及三維空間巖體內(nèi)不同方向反射波的影響,數(shù)據(jù)處理與解釋存在很大的困難,同時由于在煤巷超前探測中地震波具有導(dǎo)波的柱狀幾何傳播特征,且巷道軸向一般與地層平行,相對成熟的隧道超前探測系統(tǒng)在井巷超前探測中適用性較差。瑞雷波法超前探測是利用瑞雷波的頻散特性進行超前探測的方法。在非均勻彈性介質(zhì)中,不同頻率的振動以不同的速度傳播,即瑞雷波的頻散特性,一定的頻率對應(yīng)一定的波長,即對應(yīng)一定的地層深度。瑞雷波超前探測優(yōu)點為輕便快捷,缺點為探測距離偏小,一般有效距離為30~50m。1.2巷道三維數(shù)值模擬及物理模擬研究礦井掘進工作面超前探測直流電法主要有直流三極法、直流聚焦法和激電法,以直流三極法及其改進方法為主。國內(nèi)學(xué)者把直流電阻率三極測深法引入礦井巷道超前探測已有近20a的歷史,但鮮見相關(guān)外文文獻。程久龍等對以直流三極法為基礎(chǔ)的兩點三極電阻率法超前探測數(shù)據(jù)采集與處理方法進行了系統(tǒng)論述,之后劉青雯、韓德品等分別提出了基于幾何交匯原理的三點三極和七電極系探測系統(tǒng)。在含巷道三維正、反演數(shù)值模擬和物理模擬研究方面,黃俊革、劉斌、馬炳鎮(zhèn)等進行了較為系統(tǒng)的研究,認(rèn)為巷道空腔不會掩蓋工作面前方地質(zhì)體信息,但需要對數(shù)據(jù)進行校正;僅利用電阻率極值位置準(zhǔn)確解釋超前探測異常的難度較大,在反演中由于同層等值現(xiàn)象,反演結(jié)果只能確定異常體的厚度和電阻率的組合值。直流三極法超前探測具有高效、方便、廉價的特點,部分觀點認(rèn)為該方法探測距離可達100m,探測精度較高,但一些學(xué)者認(rèn)為該方法超前探測距離被人為夸大。該方法缺點是受巷道后方及側(cè)幫影響較大,且直流點源場存在對掘進工作面前方異常體的弱敏感性。1.3瞬變電磁法瞬變電磁法在地面和航空半空間的理論研究和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟。在井下探測方面,于景邨等對層狀介質(zhì)瞬變電磁法時間-深度換算進行了研究,通過物理模擬與井下試驗研究了巷道底板鐵軌和金屬支架等干擾的響應(yīng)特征,提出了相應(yīng)的校正方法。劉志新等、姜志海、楊海燕等進行了礦井瞬變電磁法全空間三維正演計算,對多匝小回線間自互感,全空間效應(yīng),發(fā)射功率、發(fā)射磁矩、關(guān)斷時間隨發(fā)射線圈匝數(shù)的變化關(guān)系,關(guān)斷時間、接收信號隨接收線圈匝數(shù)的變化關(guān)系等問題進行了系統(tǒng)研究,推導(dǎo)了全空間晚期和全區(qū)視電阻率公式,研究了全空間視電阻率解釋方法。郭純等發(fā)展了同軸偶極裝置形式的超前探測方式,采用該方法進行了連續(xù)跟蹤超前探測試驗。瞬變電磁法的優(yōu)點為:對低阻體反映敏感,在巖層富水性探測方面更具優(yōu)勢;超前探測距離較大,探測方向指向性好;施工方便快捷,勞動強度小等。缺點為:由于體積效應(yīng)影響,分辨率低,難以準(zhǔn)確分辨實際的電性界面,同時因關(guān)斷時間等影響,存在探測盲區(qū);由于全空間效應(yīng)影響,掘進工作面前后方異?；旌显谝黄痣y以分離。1.4探測方法對比紅外測溫超前探測是應(yīng)用紅外測溫儀對巷道壁進行測溫,根據(jù)測量輻射溫度的變化判斷巷道前方的地質(zhì)情況,主要應(yīng)用于巷道前方近距離小范圍含水性探測。紅外測溫超前探測優(yōu)點為快速、輕便、廉價。缺點為不能準(zhǔn)確超前預(yù)報構(gòu)造具體位置,易受施工涌水和礦井通風(fēng)影響,探測距離和探測精度有限,主要作為超前探測的輔助方法。探地雷達法利用發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖形式由掘進工作面發(fā)射至地層中,經(jīng)地層界面反射返回掘進工作面,由另一天線接收回波信號,進而通過對接收的回波信號進行處理、分析解釋,達到對短距離進行超前預(yù)報的目的。探地雷達超前探測方法優(yōu)點為輕便快捷、對構(gòu)造探測分辨率高;缺點為探測距離有限。1.5國外儀器的發(fā)展在礦井巷道超前探測儀器研制方面,國內(nèi)自主研發(fā)的反射波法、瑞雷波法、直流電法、瞬變電磁法、探地雷達、紅外測溫等儀器設(shè)備,整體上已初步形成系列化,具有一定的生產(chǎn)規(guī)模和能力,基本上滿足了國內(nèi)需求。但是在儀器穩(wěn)定性、可靠性、靈敏度以及軟硬件配套能力等方面,與國外尚有明顯的差距。國外儀器發(fā)展較早,技術(shù)更為成熟,特別是在反射波超前探測系統(tǒng)和瞬變電磁法超前探測儀器方面,國外儀器發(fā)揮著重要作用。國外儀器的不足是價格相對較高,不具有專門的防爆性能。2地質(zhì)構(gòu)造及含水性近幾年來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞礦井掘進工作面物探超前探測地質(zhì)構(gòu)造和含水地質(zhì)體進行了深入研究,特別是在影響礦井安全生產(chǎn)的巖層含水性探測方面,取得了許多成果。2.1地質(zhì)構(gòu)造的提前勘探2.1.1基于槽波的煤巷小構(gòu)造及槽波波場特征從20世紀(jì)70年代起,國內(nèi)外學(xué)者對槽波勘探進行了一些研究,主要針對工作面的探測。在工作面探測方面,姬廣忠等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),由于巷道的影響,巷道壁上產(chǎn)生很強的巷道振型槽波,煤層中則出現(xiàn)以Love型為主的槽波,據(jù)此分析了實際槽波記錄的形成機理。在掘進巷道超前探測方面,楊思通等提出了Rayleigh型槽波煤巷小構(gòu)造超前探測方法,采用在巷道工作面前方煤層內(nèi)靠近底板激發(fā)縱波震源,在煤巷底板布置檢波器的觀測方式。數(shù)值模擬表明:在煤巷工作面前方煤層內(nèi)以縱波震源激發(fā)的Rayleigh型槽波相對于體波能量較強,波列較長,波速較低;沿煤層傳播的Rayleigh型槽波在小構(gòu)造面上產(chǎn)生Rayleigh型槽波反射波,在煤巷工作面上轉(zhuǎn)換為沿煤巷底板傳播的Rayleigh面波,可以作為超前探測小構(gòu)造的特征波;在地震記錄上反射Rayleigh型槽波產(chǎn)生的Rayleigh面波波至最遲,能量較強,在地震記錄上容易識別;在小構(gòu)造探測方面槽波法相比于反射波法更有優(yōu)勢。2.1.2極化偏移成像近年來,極化成像和散射成像應(yīng)用于礦井掘進工作面超前探測地震成像,取得了較好的效果。極化偏移屬于全空間條件下反射波法精細成像。王勃從三分量地震信號的實時偏振分析出發(fā),基于面波與體波極化程度差異、縱橫波傳播方向與質(zhì)點振動方向正交差異、同類波與轉(zhuǎn)換波速度差異,引入偏振系數(shù)、主極化方向和相干因子,提出了適用于礦井全空間的極化偏移成像方法。數(shù)值模擬和物理模擬實驗表明該方法對異常界面收斂性強、方向分辨率高;現(xiàn)場試驗表明該方法能實現(xiàn)對異常體位置、傾角、傾向3個參數(shù)的準(zhǔn)確超前預(yù)報。井下實際的地質(zhì)問題往往很復(fù)雜,基于單一波場理論的地震勘探方法不能正確描述復(fù)雜地震波場,這就要求用廣義的地震波散射理論去解決復(fù)雜地質(zhì)問題。金紅娣等通過數(shù)值模擬分析了散射成像的效果,驗證了散射成像應(yīng)用于掘進工作面超前探測的可行性。程久龍等對基于共散射點等效偏移距的疊前時間偏移成像方法進行了研究。數(shù)值模擬表明,相比常規(guī)的成像方法,該方法在傾斜界面尤其是產(chǎn)生繞射波部位的界面有更好的成像效果,為礦井掘進工作面超前探測提供了新的思路。2.1.3井矢量彈性波場模擬在掘進工作面地震超前探測中,異常體傾角相對于異常體位置的處理解釋更加困難。針對這一現(xiàn)狀,鄧帥奇等對礦井矢量彈性波場進行了AVO數(shù)值模擬研究,獲得了觀測系統(tǒng)前方不同傾角界面的振幅隨炮檢距的變化規(guī)律,認(rèn)為在炮檢距相同條件下,PP波的水平分量、PS波的垂直分量及PP波與PS波水平分量的絕對值振幅差與界面傾角大小成正比;PP波的垂直分量、PS波的水平分量及PP波與PS波垂直分量的絕對值振幅差與界面傾角大小成正比。2.2巖石含水層的提前勘探2.2.1直流垂直探測技術(shù)直流聚焦法超前探測方法包括時間域和頻率域,是利用同性點源的相斥、聚焦原理進行巷道超前探測的技術(shù)。阮百堯等對坑道中直流聚焦超前探測法進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬和物理模擬研究,設(shè)計出適用于坑道掘進工作面和側(cè)壁剖面測量的直流垂直聚焦超前探測電位觀測方案,驗證了垂直聚焦探測方案能夠準(zhǔn)確探測出坑道掘進工作面前方及坑道旁側(cè)不良地質(zhì)體的存在及空間分布。張偉杰提出了基于雙頻激電原理,利用約束電場與探測電場之間的相互作用實現(xiàn)有效控制探測方向與探測距離的動態(tài)定向電場激勵法超前探測技術(shù),設(shè)計了原理樣機,開展了常見有害地質(zhì)構(gòu)造的仿真探測。2.2.2其它高水勢電場超前探測方法,主要通過設(shè)置地下核磁共振磁共振方法通過接收水中氫原子核宏觀磁矩進動產(chǎn)生的電磁信號來探測地下含水體。磁共振技術(shù)在地面勘探中已有較廣泛的應(yīng)用,近年來,在隧道和井下超前探測的研究也取得了一些進展:林君、孫懷鳳等針對地下磁共振超前探測在數(shù)值模擬、可行性分析、觀測系統(tǒng)布置和儀器設(shè)計等方面進行了系統(tǒng)研究,在隧道超前探測中進行了試驗性的水源探測工作。相對于其他方法通過尋找低電阻率目標(biāo)體來實現(xiàn)含水構(gòu)造的探測,磁共振方法能夠直接尋找含水體,具有獲取信息豐富、解釋惟一、結(jié)果量化等優(yōu)點。但也存在探測距離短、分辨率較低、測量速度慢、抗干擾能力較差等缺陷,且因為需要大的發(fā)射功率在井下探測時對防爆技術(shù)要求更高。2.2.3特殊目的儀器激發(fā)極化法根據(jù)巖、礦石的激發(fā)極化效應(yīng)探測地下含水體。李術(shù)才等基于三維電阻率反演和大電流激發(fā)極化半衰時之差法,提出了隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測技術(shù)體系,研發(fā)了隧道地質(zhì)預(yù)報專用激發(fā)極化儀器。數(shù)值模擬、物理模擬和工程應(yīng)用表明,該技術(shù)可以實現(xiàn)含水體的三維成像與含水構(gòu)造預(yù)測,拓展了超前地質(zhì)預(yù)報工作的功能。2.2.4維反演成像現(xiàn)有瞬變電磁工作方法數(shù)據(jù)采集量相對較少,在進行處理解釋時只能給出電阻率二維擬斷面圖,難以進行三維反演成像。針對以上問題,孫懷鳳借鑒地面大回線中心裝置的觀測方式,結(jié)合隧道探測的實際情況,提出了適用于隧道的多分量陣列式瞬變電磁三維探測方法。該方法能夠進行三維、多分量數(shù)據(jù)采集,獲得的數(shù)據(jù)包含探測目標(biāo)的三維地電結(jié)構(gòu)分布特征,為瞬變電磁三維反演成像奠定了基礎(chǔ)。2.3數(shù)據(jù)處理方法2.3.1礦井瞬變電磁的海相儲能薛國強等在瞬變電磁擬地震成像方面做了較為深入的工作,提出了從瞬變電磁場到波場的優(yōu)化算法,總結(jié)了虛擬波場在色散介質(zhì)中的傳播規(guī)律。李貅等對探測數(shù)據(jù)進行了合成孔徑雷達處理,證明該技術(shù)可以提高信噪比、突出弱異常、提高分辨率、加大勘探深度。程久龍等對礦井瞬變電磁波場轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理方法進行了系統(tǒng)研究,對掘進工作面超前探測數(shù)據(jù)進行了合成孔徑雷達處理,工程應(yīng)用表明:波場轉(zhuǎn)換能夠突出低阻異常進而提高分辨率及勘探精度,合成孔徑雷達能夠增強弱異常、提高信噪比,實現(xiàn)礦井瞬變電磁低阻異常電性界面的精細探測。圖1為礦井瞬變電磁超前探測的常規(guī)視電阻率扇形平面圖與經(jīng)波場轉(zhuǎn)換和合成孔徑成像的平面圖的對比,可以看出,常規(guī)視電阻率扇形平面圖中視電阻率界面的劃分依據(jù)的是視電阻率的大小,人為因素影響大;而經(jīng)波場轉(zhuǎn)換和合成孔徑成像后的電性界面的劃分不受人為因素影響,因而是客觀的。2.3.2全空間響應(yīng)系數(shù)煤礦井下瞬變電磁法探測中,電磁場呈全空間分布,全空間瞬變電磁反演是復(fù)雜的非線性問題,目前常規(guī)反演中全空間響應(yīng)主要由半空間響應(yīng)乘以全空間響應(yīng)系數(shù)來得到,導(dǎo)致反演結(jié)果中掘進工作面前方和后方異常疊加在一起難以分離。針對常規(guī)反演方法的不足,李明星提出了基于全空間瞬變電磁場理論和粒子群優(yōu)化算法的礦井全空間瞬變電磁非線性反演方法。數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗表明,相比半空間反演結(jié)果,全空間的反演結(jié)果與實際地質(zhì)資料的吻合程度高得多,能夠?qū)崿F(xiàn)全空間巖層電阻率異常的分離,提高全空間瞬變電磁勘探資料的解釋精度。2.3.3巷道聯(lián)合反演和數(shù)值模擬聯(lián)合反演在地面半空間已經(jīng)有很多成功的先例,在地下全空間的研究很少。M.dobroka等對礦井地震和電法進行了5層模型的聯(lián)合反演研究。李飛基于全空間直流點源場和瞬變電磁場理論,運用粒子群優(yōu)化算法,提出了礦井掘進工作面瞬變電磁和直流電法超前探測同步聯(lián)合反演方法。數(shù)值模擬和工程應(yīng)用表明:聯(lián)合反演對掘進工作面前方異常體位置、范圍的計算精度和分辨率,比一種方法的單獨反演都有明顯提高;該方法能夠壓制干擾,抑制等值現(xiàn)場對反演的影響,提高探測精度,實現(xiàn)掘進工作面前方和后方地質(zhì)異常的分離。2.4瞬變電磁探測技術(shù)采空區(qū)、陷落柱等隱蔽致災(zāi)因素危害大、探測困難,相對于鉆探、化探和地面物探,井下物探更有優(yōu)勢。近年來在掘進工作面前方的采空區(qū)、陷落柱物探超前探測方面積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗。劉白宙介紹了瞬變電磁技術(shù)在煤礦井下探測老空水方面的應(yīng)用,研究了井下巷道有限施工條件下探測不同賦存方位采空區(qū)的方法,證明了技術(shù)在探測巷道掘進頭前方、巷道頂?shù)装寮跋锏纻?cè)幫等方向老空水的有效性。梁慶華研究了礦井全空間小線圈瞬變電磁探測技術(shù)在老空區(qū)積水、陷落柱方面的應(yīng)用,給出了采空區(qū)、陷落柱在含水和不含水情況下的瞬變電磁超前探測的工程應(yīng)用實例。姜志海對不同地質(zhì)異常體的瞬變電磁超前探測進行了系統(tǒng)研究,給出了陷落柱和老窯積水的探測方法和工程應(yīng)用實例。崔凡等研究了防爆探地雷達在井下有限空間里精確探測陷落柱的方法,結(jié)合多種數(shù)據(jù)處理方法,給出了在20m探測范圍內(nèi)精確探測陷落柱的工程應(yīng)用。2.5半衰時之差參數(shù)地震檢測技術(shù)在電法類探測方法中,吉林大學(xué)核磁共振課題組成功研發(fā)了小型化磁共振儀器,并進行了實驗性的隧道災(zāi)害水源探測工作;研發(fā)了共用一套天線系統(tǒng)的瞬變電磁和磁共振聯(lián)用儀。李術(shù)才等針對隧道工作環(huán)境特點研發(fā)了隧道超前探測專用激發(fā)極化儀器系統(tǒng),解決了普通激電儀無法實現(xiàn)大電流脈動恒流供電的問題,突出了半衰時之差參數(shù)的測量功能。在地震類探測方法中,王勃等設(shè)計了雷管震源裝置,較炸藥震源具有價格低廉、施工效率高、安全性強的優(yōu)勢;較錘擊震源具有頻帶寬、能量強、高頻信號豐富的脈沖特性優(yōu)勢;設(shè)計了結(jié)合X,Y,Z正交型三分量及U,V,W加爾彼林斜三分量的六分量傳感器,指向性較三分量更加豐富。朱國維等研制了智能三分量地震檢波器,具有高采樣率、大動態(tài)范圍、控制智能化與輕便易攜、采集信號原位數(shù)字化、抗干擾能力強的特點。在探地雷達方面,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)依托國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項研制了礦井防爆地質(zhì)雷達,頻率范圍12.5~50MHz,經(jīng)工業(yè)性試驗,在煤巷中超前探測有效距離不小于50m。3巖體法施工所需的設(shè)備礦井掘進工作面物探超前探測雖然已成初步體系,但探測效果遠未能滿足實際安全生產(chǎn)需要,物探超前探測任重道遠。今后的研究要緊緊圍繞提高超前探測的精度、分辨率、抗干擾能力和探測距離來開展,重點加強基礎(chǔ)理論與新技術(shù)新方法、精細數(shù)據(jù)處理方法以及新儀器裝備等方面的研究。3.1基礎(chǔ)研究與新技術(shù)、新方法3.1.1建立三維立體觀測系統(tǒng),完善地震波觀測方式在數(shù)值模擬方面,礦井掘進工作面地震超前探測中地震波場非常復(fù)雜,需要進一步摸清超前探測中三維全波場特征,因此建立實際巷道空間條件下針對小構(gòu)造探測的三維模型的正演模擬尤為重要。在觀測系統(tǒng)方面,常規(guī)的線性觀測系統(tǒng)接收到的波場信息有限,充分利用掘進工作面、巷道頂、底板、側(cè)幫和鉆孔等空間,建立空間三維立體觀測系統(tǒng),可以最大限度的獲取空間波場信息,避開障礙物和干擾源,壓制干擾,提高探測精度。在地震波的接收方面,多波多分量超前探測技術(shù)有利于最大限度的獲取、利用空間波場信息,提高超前探測精度,壓制干擾,實現(xiàn)超前地質(zhì)構(gòu)造精細探測。在地震波的激發(fā)方面,傳統(tǒng)的炸藥震源和錘擊震源適用性受到制約,以采掘機械作業(yè)過程產(chǎn)生的震動作為震源(如以掘進機作業(yè)為震源的隨掘地震)的超前探測,因具有實時探測、不干擾正常掘進作業(yè)等優(yōu)勢,是地震超前探測新震源研究的一個前沿方向。此外,槽波在煤巷掘進工作面超前探測(特別是小構(gòu)造探測)方面具有一定的優(yōu)勢,進一步發(fā)展和完善槽波超前探測理論和方法是一個重要發(fā)展方向。3.1.2基于幾何交織原理的探測能力直流三極法及其改進方法超前探測,雖然技術(shù)體系已相對成熟,但探測效果仍然存在爭議。針對直流三極超前探測方法的有效探測距離,基于幾何交匯原理數(shù)據(jù)處理方法的效果,對含水小構(gòu)造的探測能力仍然需要進一步的探討。此外,直流三極法由于對掘進工作面后方地質(zhì)情況控制作用好,且對前后方異常具有可分性,因此與其他方法的綜合探測、聯(lián)合反演是其發(fā)展方向。直流聚焦法超前探測,是直流電法超前探測的主要研究方向之一,技術(shù)難度大,要在不同地質(zhì)異常體的聚焦電場特征和觀測系統(tǒng)方面進行深入研究。3.1.3數(shù)據(jù)處理解釋困難瞬變電磁超前探測是準(zhǔn)全空間探測,干擾復(fù)雜,地質(zhì)異常各異,導(dǎo)致全空間電磁場特征復(fù)雜,給后期數(shù)據(jù)處理解釋帶來了很大困難。要進行準(zhǔn)確的預(yù)報,首先要進行全空間含不同干擾體三維正演模擬,對不同干擾源和地質(zhì)異常體探測中可能產(chǎn)生的電磁場特征進行分析,為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和資料處理解釋提供可靠的理論依據(jù)。3.1.4采用綜合超前探測方法,提高探測精度和探測距離在礦井掘進工作面超前探測中,單一探測方法都有一定的局限性,通過兩種或兩種以上方法的多參數(shù)綜合探測,可以實現(xiàn)各種方法的優(yōu)勢互補、壓制干擾,從而提高探測精度和探測距離。如瞬變電磁法和直流三極法的綜合超前探測可以彌補瞬變電磁法對高阻和盲區(qū)探測的不足,實現(xiàn)掘進工作面前后方異常分離;電法和地震類方法的綜合超前探測,對構(gòu)造和含水性達到全面的探測效果。此外,紅外測溫方法快速、輕便,磁共振方法能夠定量探水,這都為其他方法的綜合探測提供了良好的基礎(chǔ)條件。3.1.5探測儀器與掘進機一體化設(shè)計常規(guī)的超前探測方法不能實現(xiàn)探掘協(xié)調(diào)作業(yè),影響掘進速度,導(dǎo)致有的礦井為了搶工期、趕進度而忽視探測重要性,造成安全事故。將探測儀器與掘進機進行一體化設(shè)計,實現(xiàn)隨掘探測是一個很好的解決方案,如以掘進機截割巖石產(chǎn)生震動為震源的隨掘地震,可以在掘進機工作過程中實施地震探測,不需要另外震源(炸藥、錘擊等),不需要掘進機停止工作來探測,可大大提高工作效率。隨掘超前探測可以實現(xiàn)對前方地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)測,更好地保障掘進安全。3.1.6信息采集和地面實時互通是提高前探測系統(tǒng)可靠性的基在礦井掘進工作面超前探測中,數(shù)據(jù)采集和處理、解釋常常由不同人員完成,而且,數(shù)據(jù)采集是在井下進行,數(shù)據(jù)處理和解釋是在地面進行,采集與處理解釋時間上不同步,地面人員也無法了解和掌握井下情況,借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地解決這一問題,數(shù)據(jù)采集可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與地面實時互通,同時地面處理解釋結(jié)果可以實時反饋到井下,指導(dǎo)現(xiàn)場施工,可以大大提高工作效率,提高超前探測預(yù)報的準(zhǔn)確性。3.2提高檢測精度和分辨率的詳細數(shù)據(jù)處理方法3.2.1地震波場成像方法地震精細成像的前提是要充分利用空間立體觀測系統(tǒng)和多分量檢波器接收的地震波場信息,進一步開展極化成像、散射成像、地震干涉等成像方法研究;針對煤巷掘進工作面超前探測的特點,要進一步研究槽波超前探測理論和成像方法。3.2.2孔徑雷達技術(shù)瞬變電磁精細成像的難點在于體積效應(yīng)造成的低分辨率和全空間效應(yīng)造成的掘進工作面前后方異常疊加,精細成像技術(shù)要從解決這兩個難點出發(fā)來開展研究。瞬變電磁波場轉(zhuǎn)換與合成孔徑雷達技術(shù),將傳統(tǒng)的瞬變電磁場求解問題轉(zhuǎn)化為波動方程的求解問題,將傳統(tǒng)的單點處理方式發(fā)展成為逐點推移多次覆蓋的處理方法,為提高瞬變電磁法的分辨率開辟了新的途徑。近年來雖然取得了一定的成果,但方法還不夠成熟,需要在提高分辨率上進一步研究。常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法以視電阻率計算和一維反演為主,反演中全空間響應(yīng)由半空間響應(yīng)乘以全空間響應(yīng)系數(shù)得到。相對于常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法,全空間反演、聯(lián)合反演等技術(shù)可以實現(xiàn)掘進工作面前后方異常的分離,是提高瞬變電磁超前探測精度和分辨率的有效途徑。3.2.3干擾波的校正和數(shù)據(jù)疊加研究相對于地面探測,井下探測干擾更加復(fù)雜。高效的干擾壓制方法是提高探測精度和分辨率的重要手段。壓制干擾數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展方向主要有:進一步研究干擾信號的特征和校正方法,通過正演模擬、物理模擬和現(xiàn)場實驗等方法研究干擾源的物理響應(yīng)特征,通過對原始信號的校正來減小干擾的影響;進一步研究波場分離方法,突出有效波,壓制干擾波;進一步研究有效的數(shù)據(jù)疊加方法,通過相關(guān)分析等處理,將不同測點的數(shù)據(jù)進行有效疊加,增強有用信號,達到壓制干擾;進一步研究綜合探測方法的多場信息融合計算方法,壓制不同探測方法的干擾,提高信噪比。3.2.4非線性反演與同步反演聯(lián)合反演是綜合地球物理定量解釋的重要手段。根據(jù)反演流程的不同,聯(lián)合反演分為剝離法、順序法、伸展法和同步法,前3種是不同方法反演結(jié)果之間的綜合,同步反演是真正意義上的聯(lián)合反演;根據(jù)反演方法的不同,聯(lián)合反演分為線性反演和非線性反演,非線性反演在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性方面更有優(yōu)勢。目前井下探測聯(lián)合反演研究較少,應(yīng)該圍繞同步聯(lián)合反演和非線性聯(lián)合反演來開展研究,在進一步研究瞬變電磁和直流電法等基于相同物性聯(lián)合反演方法的同時,加強地震類方法和電法類方法、電法類方法和磁共振方法等基于不同物性聯(lián)合反演方法的研究。3.3特殊技術(shù)的應(yīng)用(1)實時預(yù)報與智能預(yù)警。目前掘進工作面超前探測還處在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、地面處理解釋階段,開發(fā)現(xiàn)場采集、即時處理分析的實時預(yù)報探測裝備,實現(xiàn)智能預(yù)警,不僅可以大大提高生產(chǎn)效率,而且可以保障掘進生產(chǎn)安全。(2)礦井多源災(zāi)害一體化超前探測裝備。礦井多源災(zāi)害一體化超前探測裝備,通過最大限度的優(yōu)化儀器設(shè)計(如共用電源裝置、天線、震源等),有望大大降低綜合探測成本,提高工作效率。(3)磁棒接收與天線屏蔽等新技術(shù)的應(yīng)用。礦井瞬變電磁超前探測中,常規(guī)的接收是感應(yīng)線圈,體積大且穩(wěn)定性不足,開發(fā)磁棒或高溫