一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法
阅读说明：本技术 一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法 (Method for enhancing grouting effect of working surface base plate detected by audio-frequency electric perspective method ) 是由 郭文波 韩德品 鲁晶津 邢修举 陈靖 刘敏 王军 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法。煤矿带压采煤工作面时常需要注浆加固底板,但此类工程属于隐蔽工程,注浆工程结束后很难直观了解注浆工程的效果,注浆工程的效果若没有达到设计要求将对安全生产带来巨大的隐患。本发明使用增强音频电透视法检测工作面底板内注浆前原始电阻率和注浆后“最佳窗口时间”的实际电阻率,显示高阻异常的区域即为注浆影响范围。本发明利用不同注浆液的“最佳窗口时间”进行检测,提高了检测结果的准确度且成本低于打钻的十分之一。(The invention discloses a method for enhancing the grouting effect of a working surface baseplate detected by an audio frequency electric perspective method. The bottom plate is usually required to be reinforced by grouting when the coal mining working face is under pressure in a coal mine, but the engineering belongs to concealed engineering, the effect of the grouting engineering is difficult to know visually after the grouting engineering is finished, and the effect of the grouting engineering brings huge hidden danger to safety production if the effect of the grouting engineering does not meet the design requirement. The method uses an enhanced audio frequency electric perspective method to detect the original resistivity before grouting and the actual resistivity of the 'optimal window time' after grouting in the bottom plate of the working surface, and the area with abnormal high resistance is the grouting influence range. The invention utilizes the 'optimal window time' of different grouting liquids to carry out detection, improves the accuracy of the detection result and has the cost lower than one tenth of that of drilling.)
技术领域
本发明属于煤矿井下物探探测技术领域，具体涉及一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法。
背景技术
煤矿带压采煤工作面时常需要注浆加固底板，目的是加厚加固底板有效隔水层。但此类工程属于隐蔽工程，由于其隐蔽性和复杂性，在注浆工程结束后很难直观了解注浆工程的效果，注浆工程的效果若没有达到设计要求将对安全生产带来巨大的隐患，容易引发突水事故，影响煤矿生产安全，按照《煤矿防治水细则》有关规定，煤矿必须停止开采，继续打钻注浆加固底板，致使煤矿多打很多钻，严重影响生产进度，影响生产安全，大大提高生产成本。
目前常用的注浆加固效果检查方法主要有钻探检查、回采检查、物探检查、压水试验等；钻探检查需要的时间长、钻孔量多、费用比较庞大；回采检查即对注浆改造工作面进行试采,与条件类似但没有进行注浆改造的工作面的底板突水情况进行对比；这种方法风险较大，万一某一个隐伏突水构造没有注浆加固，就会发生突水事故；物探检查方面，瞬变电磁勘探法在断层含水性及注浆效果检测方面有较好地应用效果，但在井下实际施工时，巷道内的钻场、金属物等导体对探测结果的干扰很大，不易取得较好的信噪比，导致结果往往很不准确；随着煤矿采掘深度的提高，水压越来越大，常规压水试验已不能准确反映实际水头作用下的岩体渗透性能，应开展高压压水试验检查单孔注浆效果，但高压压水试验对技术和设备要求都较高。
因此，特别是大水煤矿迫切需要一种既能快速检测且成本廉价、又能准确检测注浆工程效果的方法，以保障煤矿生产安全、提高生产效率。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法，信噪比高、检测速度快、成本低廉，既能定量解释地下注浆影响范围，又能区分未注浆加固的隐伏含导水地质构造等地质异常体的位置。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法，具体包括如下步骤：
步骤一：使用增强音频电透视法检测工作面底板内注浆前原始电阻率ρ理论；
步骤二：确定注浆后检测的“最佳窗口时间”；
步骤三：使用增强音频电透视法，在所述“最佳窗口时间”检测工作面底板内注浆后的实际电阻率ρ注浆；
步骤四：确定注浆影响范围；
依据所述步骤一和步骤三检测得出的工作面底板内注浆前原始电阻率ρ理论和注浆后“最佳窗口时间”的实际电阻率ρ注浆，计算剩余电阻率值：Δρ＝(ρ注浆-ρ理论)/ρ理论*100％；工作面内剩余电阻率值Δρ＞0，为高阻异常；工作面内剩余电阻率值Δρ＜0，为低阻异常；工作面内，显示高阻异常的区域即为注浆影响范围。
一种增强音频电透视法检测工作面底板注浆效果的方法，检测装置为增强音频单极-偶极-偶极装置，所述增强音频单极-偶极-偶极装置包括供电电极A、供电电极B、测量电极M、测量电极N、增强接收电极C；
供电电极A设置于工作面甲顺槽；所述供电电极B为无穷远；所述测量电极M、测量电极N设置于工作面乙顺槽，测量电极M与测量电极N之间间距等于工作面乙顺槽横向宽度，且测量电极M与测量电极N之间连线垂直于工作面乙顺槽纵向；
所述工作面甲顺槽与工作面乙顺槽为工作面两相邻巷道；
所述测量电极M与测量电极N的中点设定为测量记录点；
所述增强接收电极C设置于工作面乙顺槽中，增强接收电极C与测量电极M、测量电极N连线之间距离为1～2倍采长L。
具体地，增强音频电透视法检测步骤如下：
步骤一：设置供电电极A
在所述工作面甲顺槽中设置多个供电电极A，当工作面采长小于80m时，相邻两个供电电极A之间间距为20m～30m；当工作面采长大于等于80m时，相邻两个供电电极A之间间距为50m；
步骤二：设置测量记录点
在所述工作面乙顺槽内，以所述供电电极A为中心的扇形区域内，设置所述测量记录点；
所述扇形区域内各测量记录点设置方式为：工作面采长小于80m时，各测量记录点之间间距为5m；工作面采长大于等于80m时，各测量记录点之间间距为10m；
所述增强接收电极C设置在工作面入口外侧，距离最近的测量记录点的距离为1～2倍采长；
步骤三：定点扫面测量程序
根据前述步骤，对每个相对固定供电电极A对应的扇形区域内所有测量记录点进行逐一检测；将工作面甲顺槽检测完毕后，进行工作面乙顺槽的检测，最终覆盖全工作面，确保工作面内10m×10m的单元内有两次以上的覆盖；工作面测量完毕。
步骤四：视电阻率计算
对所述增强音频单极-偶极-偶极装置采用音频交流供电，分别检测测量电极M与增强接收电极C、测量电极N与增强接收电极C之间的电位差ΔUMC、ΔUNC，计算视电阻率：
ρs＝K·(ΔUMC-ΔUNC)/I
其中：K为装置系数，I为供电电流
步骤五：电阻率计算
依据步骤四中测得出的视电阻率ρs，通过反演计算测区内的电阻率ρ；
反演问题的目标函数形式如下：
其中：ds为实测数据，视电导率1/ρs，具体为观测的电压与电流；d(m)是对给定的电导率模型进行正演计算所得的数据；Wd是数据权重矩阵；β是正则化参数，用于平衡最小化过程中数据误差和模型正则化的影响；Wm是模型正则化矩阵；m是用于反演迭代的模型，模型参数取ln(1ρ)，mc是参考模型。
注浆后检测“最佳窗口时间”确定步骤如下：
步骤一：取待测煤层工作面底板“岩石模块”，体积1m3，按照视电阻率计算公式：ρ＝(ΔUI)×(SL)，其中，S为模块横截面面积/m2，L为垂直于横截面方向的模块长度/m，ΔU为模块两端电位差，I为供电电流。
计算岩石模块注浆前的视电阻率值ρS模；
步骤二：将“水泥+粉煤灰”的混合浆液注入到步骤一中所述岩石模块内；
步骤三：每天定时观测注浆后所述“岩石模块”的视电阻率值，注浆后第i天的视电阻率值设定为ρi；第一天视电阻率值为ρ1欧姆米，之后近线性快速升高，在第N1天所述岩石模块的视电阻率值达到注浆前的视电阻率值，即ρN1＝ρS模；在第N2天快速升高至n倍的ρS模(n>1)，即ρN2＝nρS模；第N2天之后，当ρi(i>N2)缓慢变化趋于稳定,且ρi>ρS模；第N2天即为待测工作面注浆后“最佳窗口时间”。
本发明的有益效果：
1)本发明所使用的检测装置“增强音频单极-偶极-偶极装置”采用音频交流供电，接收电极为增强电极，增大了测量电极M与增强电极C、测量电极N与增强电极C之间的电位差值，提高了测量电极M与测量电极N之间的信噪比，增强了抗干扰能力；使得相同条件下，可测工作面最大采长从250m提高到320m；
2)本发明利用不同注浆液的“最佳窗口时间”进行检测，提高了检测结果的准确度；
3)本发明所使用检测方法的检测、成本低于打钻的十分之一；
4)本发明为连续探查，精确反映工作面内的注浆影响范围，可为带压采煤工作面底板加固及精准防治水提供技术支持。
附图说明
图1增强音频单极-偶极-偶极装置平面结构示意图；
图2矿井工作面供电电极及检测记录点扇形扫面施工布置平面示意图；
图3试验注浆液凝固过程与其视电阻率变化过程示意图；
图4注浆前矿井工作面原始电阻率沿工作面两顺槽底板切断面分布示意图；
图5注浆前后矿井工作面电阻率沿工作面两顺槽底板切断面分布对比示意图；
图中，1-供电电极A、2-供电电极B、3-测量电极M、4-测量电极N、5-增强接收电极C6-工作面甲顺槽、7-工作面乙顺槽、8-测量记录点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
(1)检测待测工作面底板内注浆前原始电阻率
使用检测装置为增强音频单极-偶极-偶极装置，图1为增强音频单极-偶极-偶极装置平面结构示意图；增强音频单极-偶极-偶极装置包括供电电极A 1、供电电极B 2、测量电极M 3、测量电极N 4、增强接收电极C 5；
供电电极A1设置于工作面甲顺槽7；供电电极B 2为无穷远；测量电极M 3、测量电极N 4设置于工作面乙顺槽6，测量电极M 3与测量电极N 4之间间距等于工作面乙顺槽6横向宽度，且测量电极M与测量电极N之间连线垂直于工作面乙顺槽6纵向；
工作面甲顺槽7与工作面乙顺槽6为工作面两相邻巷道；
测量电极M与测量电极N的中点设定为测量记录点8；
步骤一：设置供电电极A
在所述工作面甲顺槽7中设置多个供电电极Ai(i＝1，2,3，……)，当工作面采长小于80m时，相邻两个供电电极Ai之间的间距设为20m～30m；当工作面采长大于等于80m时，相邻两个供电电极A之间间距设为50m；
步骤二：设置测量记录点
在工作面乙顺槽6内，以供电电极A为中心的扇形区域内，设置测量记录点8；各测量记录点8设置方式为：工作面采长小于80m时，各测量记录点8之间间距为5m；工作面采长大于等于80m时，测量点之间间距为10m；
依据测量记录点8设置测量电极M、测量电极N、增强接收电极C位置；增强接收电极C设置在工作面入口外侧，距离最近的测量记录点8的距离为1～2倍采长L；
步骤三：定点扫面测量
根据前述步骤，如图2，相对固定供电电极A，对每个供电电极A对应的工作面正对面扇形区域内所有测量记录点进行逐一扫面测量；将工作面甲顺槽检测完毕后，进行工作面乙顺槽的检测，最终覆盖全工作面，确保工作面内10m×10m的单元内有两次以上的覆盖；
步骤四：测量参数与视电阻率计算
使用增强音频单极-偶极-偶极装置，采用音频交流供电，分别检测测量电极M与增强接收电极C、测量电极N与增强接收电极C之间的电位差ΔUMC、ΔUNC，计算视电阻率：
ρs＝K·(ΔUMC-ΔUNC)/I
其中：K为装置系数，I为供电电流
步骤五：电阻率计算与注浆目标区域
依据步骤四中测量得出的视电阻率，通过反演计算工作面底板空间各点的电阻率；
反演问题的目标函数形式如下：
其中ds为实测电导率，为电阻率的倒数，具体为观测的电压与电流；d(m)是对给定的电导率模型进行正演计算所得的数据；Wd是数据权重矩阵；β是正则化参数，用于平衡最小化过程中数据误差和模型正则化的影响；Wm是模型正则化矩阵；m是用于反演迭代的模型，mc是参考模型。
获得注浆目标靶区：
依据计算工作面底板下空间所有点的注浆前电阻率，可获得注浆前矿井工作面原始电阻率任意切片图，如图4所示沿工作面两顺槽底板切断面分布示意图；依据图4找出工作面底板注浆前存在的含导水构造裂隙发育带范围，即显示低阻异常的区域为注浆目标靶区；
(2)确定注浆后的“最佳窗口时间”
注浆液主要使用“水+水泥+粉煤灰”混合浆液，按其比重为1.5～1.6g/cm3配置。
步骤一：先取类似煤层底板岩石模块，体积1m3，按照模块视电阻率计算公式：ρ＝(ΔUI)×(SL)，其注浆前视电阻率值ρS模≈50Ωm；
步骤二：将混合浆液(先稀后稠)注入到该模块后，每天观测其视电阻率值，时间长度为该视电阻率变化趋于平稳为止；
步骤三：对注浆后的模块连续观测，结果表现为第一天其视电阻率约1.5Ωm，之后接近线性快速升高，在第14天时视电阻率达50Ωm(等于其注浆前模块的原始视电阻率)，之后仍然快速线性升高，到19天达到到175Ωm(注浆液已凝固)，已经达到大于三倍围岩的视电阻率，之后其视电阻率缓慢变化趋于稳定且相对高阻。结束观测。
步骤四：使用该类混合浆液注浆后19天，此时为趋于稳定的前沿，且表现为高阻，这是使用该方法取得稳定检测最佳效果的最早时间，取得该“最佳窗口时间”等于19天。
如果在注浆后14天以内使用该方法检测结果是呈现低阻异常，这与岩石中原生的含导水构造呈低阻异常相似，无法区分是注浆液还是含导水构造。
图3为上述试验注浆液凝固过程与其视电阻率变化过程示意图。其中，若针对注浆液比重＝1.3～1.4g/cm3类型，其“最佳窗口时间”为63天。
(3)检测工作面底板内注浆后的实际电阻率ρ注浆
使用增强音频电透视法，在所述“最佳窗口时间”检测工作面底板内注浆后的实际电阻率ρ注浆，检测具体过程与“(1)检测待测工作面底板内注浆前原始电阻率”过程相同；
(4)确定注浆影响范围
依据检测得出的工作面底板内注浆前原始电阻率ρ理论和注浆后“最佳窗口时间”的实际电阻率ρ注浆，计算剩余电阻率值：Δρ＝(ρ注浆-ρ理论)/ρ理论*100％；工作面内剩余电阻率值Δρ＞0，为高阻异常；工作面内剩余电阻率值Δρ＜0，为低阻异常；工作面内，显示高阻异常的区域即为注浆影响范围；图5为注浆前后矿井工作面电阻率沿工作面两顺槽底板切断面分布对比示意图，精确反映了工作面内的注浆影响范围及其顶底板岩层内的含水、导水构造异常，可为带压采煤工作面底板加固及精准防治水提供技术支持。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
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