一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统及使用方法

技术领域

本发明涉及矿井水害防治技术领域，具体是一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统及使用方法。

背景技术

我国是世界主要产煤国，多数煤矿水文地质条件复杂，煤层附近含水层富水性强、水压高、补给水源区域广、隔水层薄、地质构造发育，煤矿重特大突水事故频发。国内外对矿井水害的探测技术经过多年发展与应用，呈现出技术丰富、仪器多样、应用广泛的特点，现有水文探测手段主要为直流电法、高密度电法、音频电透视法、瞬变电磁法等矿井电磁技术，这些技术凭借着对含水体反映灵敏的特点，成为目前井下赋水性最常用的探测方法。

但随着矿井开采不断大型化、深部化，这些探测技术在满足现场生产需求方面存在诸多不足；1、瞬变电磁法抗金属干扰能力差，由于巷道采用工钢、U钢和锚网支护且常堆放有大量铁器，导致探测效果较差；2、直流电法、音频电透视法采用单通道数据采集方式，地电场数据密度有限、物探效率低且局限于电测深或电透视单一探测类型；3、高密度电法采用简单的线型多通道测量方式，无法完成电透视主流装置“轴向单极—偶极法”的数据采集。因此在目前需电测深、电剖面、电透视等多种成果补充对比、综合分析，达到水害高效、精细探测的背景下，传统矿井电磁法适用范围逐渐减小，无法保障煤矿的安全生产。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的是要提供一种集电测深、电剖面、电透视等各类矿井电法的高效、精细矩阵电极勘探系统及使用方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统，包括多芯电缆、连接线夹、矩阵电极和现场主机；所述矩阵电极呈双排矩阵形并按照固定的行间距和列间距布置在巷道顶底板中，所述矩阵电极与多芯电缆之间通过连接线夹依次连接，所述多芯电缆与现场主机相连接，形成矩阵探测网络。

进一步的，所述多芯电缆由线缆连接头、高强度线缆、测量端口组成，所述高强度线缆上每隔一定间距布设测量端口，所述线缆连接头与高强度线缆连接，所述高强度线缆由若干绝缘线芯组成，所述测量端口留设第一测量道口和第二测量道口，所述第一测道口内布置第一接触片，所述第二测道口内布置第二接触片，第一接触片、第二接触片按顺序依次分别与绝缘线芯连接。

进一步的，所述连接线夹包括接头、保护套、连接线，所述接头与测量端口连接，所述接头内部固定连接有两个夹片，所述保护套设置在连接线和夹片的连接处，两个夹片分别为第一夹片、第二夹片，所述接头与测量端口连接时所述第一夹片与第一接触片连接，所述第二夹片与第二接触片连接，所述连接线包括第一连接分线、第二连接分线，所述第一连接分线与第一夹片连接，所述第二连接分线与第二夹片连接。

进一步的，所述矩阵电极呈双排矩阵形且按照固定的行间距和列间距布置在工作面的上巷、下巷及切眼顶底板中，对工作面形成包围式矩阵电极布置。

进一步的，所述现场主机可以提供从低频到高频的多个供电频率的供电功能。

进一步的，所述矩阵电极还包括无穷远电缆、无穷远电极，所述无穷远电极与现场主机用无穷远电缆连接。

进一步的，所述矩阵电极布置为包围式探测方式，所述包围式探测方式可简化布置成单边式探测方式，所述单边式探测方式配备有单边探测供电装置；所述单边探测供电装置包括供电电缆、供电电极，所述供电电极与现场主机用供电电缆连接。

一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：在距工作面的一定距离的巷道底板布置无穷远电极，无穷远电极与现场主机用无穷远电缆连接；

S2：在工作面上巷、下巷及切眼顶底板一次性布置好所有的矩阵电极，矩阵电极呈双排矩阵形，分别布置在靠近巷道左右两帮的顶底板处，所述矩阵电极呈双排矩阵形且按照固定的行间距和列间距布置；矩阵电极与多芯电缆用连接线夹依次连接，多芯电缆与现场主机相连接，形成矩阵探测网络；

S3：具体测量；对矩阵探测网络采用多频依次供电，采集多套数据，每次供电一轮同时完成电测深、电剖面、电透视工作方式的数据采集；

S4：对现场主机采集的原始数据进行数据提取。

进一步的，所述步骤S3中，每套数据里包括二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置、轴向单极—偶极装置、赤道单极—偶极装置多种装置的数据中的一种或几种。

进一步的，于原始数据中任意提取出包括二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置、轴向单极—偶极装置、赤道单极—偶极装置的电测深、电剖面、电透视工作方式的数据中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的矩阵式电极布置模式和多通道数据采集技术，可以通过一次布线、一轮采集完成多种电测深、电剖面、电透视勘探的数据采集工作，形成“大满贯式”全面数据采集，提高了井下物探效率；

本发明的多频供电探测模式，采用多频依次供电、单轮一次采集，可完成多套从低频到高频的各个频段的电测深、电剖面、电透视工作方式的多套数据采集，提高了数据的采集密度，丰富了数据的种类多样化和全面化，多套数据也可以进行对比补充、综合分析，保障物探的精细度和可靠性；

本发明的矩阵电极布置分为包围式探测方式和单边式探测方式，兼顾探测的全面性和灵活性，可依探测目的、探测工作量、现场环境等因素灵活选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的包围式探测施工布置结构示意图；

图2是本发明的单边式探测施工布置结构示意图；

图3是本发明的多芯电缆结构示意图；

图4是本发明的多芯电缆端口示意图；

图5是本发明的多芯电缆端口剖面示意图；

图6是本发明的连接线夹结构示意图；

图7是本发明的电极布置示意图；

图8是本发明的多工作方式数据提取流程图；

图9是本发明的电测深和电剖面探测等效示意图（1）；

图10是本发明的电测深和电剖面探测等效示意图（2）；

图11是本发明的电测深和电剖面探测等效示意图（3）；

图12是本发明的电测深和电剖面探测等效示意图（4）；

图13是本发明的电测深和电剖面探测等效示意图（5）；

图14是本发明的电测深和电剖面探测等效示意图（6）；

图15是本发明的电透视探测等效示意图（1）；

图16是本发明的电透视探测等效示意图（2）；

图17是本发明的电透视探测等效示意图（3）；

图18是本发明的电透视探测等效示意图（4）。

图中：1、工作面；2、上巷；3、切眼；4、多芯电缆；5、矩阵电极；6、连接线夹；7、现场主机；8、下巷；9、无穷远电缆；10、无穷远电极；11、供电电极；12、供电电缆；13、线缆连接头；14、高强度线缆；15、测量端口；16、第一测道口；17、第二测道口；18、第一接触片；19、第二接触片；20、绝缘线芯，21、第一夹片；22、第二夹片；23、接头；24、保护套；25、连接线；26、第一连接分线；27、第二连接分线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-图18所示，

实施例1：

一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统，包括多芯电缆4、连接线夹6、矩阵电极5和现场主机7；所述矩阵电极5呈双排矩阵形并按照固定的行间距和列间距布置在工作面1巷道顶底板中，所述矩阵电极5与多芯电缆4之间通过连接线夹6依次连接，所述多芯电缆4与现场主机7相连接，形成矩阵探测网络。

本实施例中，所述多芯电缆4由线缆连接头13、高强度线缆14、测量端口15组成，所述高强度线缆14上每隔一定间距布设测量端口15，所述线缆连接头13与高强度线缆14连接，所述高强度线缆14由若干绝缘线芯20组成，所述测量端口15留设两个测量口，分别为第一测量道口16和第二测量道口17，所述第一测道口16内布置第一接触片18，所述第二测道口17内布置第二接触片19，第一接触片18、第二接触片19按顺序依次分别与绝缘线芯20连接。

本实施例中，所述连接线夹6包括接头23、保护套24、连接线25，所述接头23与测量端口15连接，所述接头23内部固定连接有两个夹片，所述保护套24设置在连接线25和夹片的连接处，保证其绝缘密闭性，两个夹片分别为第一夹片21、第二夹片22，所述接头23与测量端口15连接时所述第一夹片21与第一接触片18连接，所述第二夹片22与第二接触片19连接，所述连接线25包括第一连接分线26、第二连接分线27，所述第一连接分线26与第一夹片21连接，所述第二连接分线27与第二夹片22连接。

本实施例中，所述矩阵电极5呈双排矩阵形且按照固定的行间距和列间距布置在工作面1的上巷2、下巷8及切眼3顶底板中，对工作面1形成包围式矩阵电极布置。

本实施例中，所述现场主机7可以提供从低频到高频的多个供电频率的供电功能。

本实施例中，所述矩阵电极5还包括无穷远电缆9、无穷远电极10，所述无穷远电极10与现场主机7用无穷远电缆9连接。

以某个工作面为例，工作面1呈标准矩形，工作面上巷2、下巷8和切眼3皆为矩形断面，工作面长500m，宽150m，工作面底板存在承压含水层，存在突水威胁。为探明工作面底板煤岩层赋水性情况，采用本发明的矿井矩阵电极探测系统进行探查；施工布置为包围式探测方式；施工布置结构如图1所示。

一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：如图1所示；在距工作面1有1000m距离远的巷道底板布置无穷远电极10，无穷远电极10与现场主机7用无穷远电缆9连接；

S2：如图1所示；在工作面1的上巷2、下巷8及切眼3底板一次性布置好所有的矩阵电极5，矩阵电极5呈双排矩阵形，分别布置在靠近巷道左右两帮的底板处，所述矩阵电极呈双排矩阵形且按照固定的行间距和列间距布置；行间距为3m，列间距为5m，矩阵电极5与多芯电缆4用连接线夹6依次连接，多芯电缆4与现场主机7相连接，形成矩阵探测网络；

S3：如图9-18所示；具体测量；对矩阵探测网络采用多频依次供电，采集多套数据，每次供电一轮同时完成电测深、电剖面、电透视工作方式的数据采集；

S4：如图8所示；对现场主机7采集的原始数据进行数据提取。

本实施例中，所述步骤S3中，每套数据里包括二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置、轴向单极—偶极装置、赤道单极—偶极装置多种装置的数据中的一种或几种。

本实施例中，于原始数据中任意提取出包括二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置、轴向单极—偶极装置、赤道单极—偶极装置的电测深、电剖面、电透视工作方式的数据中的一种或几种。

实施例2：

一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统，包括多芯电缆4、连接线夹6、矩阵电极5和现场主机7；所述矩阵电极5呈双排矩阵形并按照固定的行间距和列间距布置在工作面1巷道顶底板中，所述矩阵电极5与多芯电缆4之间通过连接线夹6依次连接，所述多芯电缆4与现场主机7相连接，形成矩阵探测网络。

本实施例中，所述多芯电缆4由线缆连接头13、高强度线缆14、测量端口15组成，所述高强度线缆14上每隔一定间距布设测量端口15，所述线缆连接头13与高强度线缆14连接，所述高强度线缆14由若干绝缘线芯20组成，所述测量端口15留设两个测量口，分别为第一测量道口16和第二测量道口17，所述第一测道口16内布置第一接触片18，所述第二测道口17内布置第二接触片19，第一接触片18、第二接触片19按顺序依次分别与绝缘线芯20连接。

本实施例中，所述连接线夹6包括接头23、保护套24、连接线25，所述接头23与测量端口15连接，所述接头23内部固定连接有两个夹片，所述保护套24设置在连接线25和夹片的连接处，保证其绝缘密闭性，两个夹片分别为第一夹片21、第二夹片22，所述接头23与测量端口15连接时所述第一夹片21与第一接触片18连接，所述第二夹片22与第二接触片19连接，所述连接线25包括第一连接分线26、第二连接分线27，所述第一连接分线26与第一夹片21连接，所述第二连接分线27与第二夹片22连接。

本实施例中，所述矩阵电极5呈双排矩阵形且按照固定的行间距和列间距布置在工作面1的下巷8的顶底板中，对工作面1形成单边式矩阵电极布置。

本实施例中，所述现场主机7可以提供从低频到高频的多个供电频率的供电功能。

本实施例中，所述矩阵电极5还包括无穷远电缆9、无穷远电极10，所述无穷远电极10与现场主机7用无穷远电缆9连接。

本实施例中，所述矩阵电极5布置为单边式探测方式，所述单边式探测方式为包围式探测方式的简化布置，所述单边式探测方式配备有单边探测供电装置；所述单边探测供电装置包括供电电缆12、供电电极11，所述供电电极11与现场主机7用供电电缆12连接。

以某个工作面为例，工作面1呈标准矩形，工作面上巷2、下巷8和切眼3皆为矩形断面，工作面长500m，宽150m；工作面底板存在承压含水层，存在突水威胁。为探明工作面底板煤岩层赋水性情况，采用本发明的矿井矩阵电极探测系统进行探查；施工布置为单边式探测方式；施工布置结构如图2所示；

一种基于矩阵电极的矿井电法集成勘探系统的使用方法，包括以下步骤：

（1）如图2所示；在工作面1的上巷2内布置供电电极11，供电电极11的间距为20m，供电电极11与现场主机7用供电电缆12连接；在距工作面1有1000m的距离的巷道底板布置无穷远电极10，无穷远电极10与现场主机7用无穷远电缆9连接；

（2）如图2所示；在工作面1的下巷8内底板一次性布置好所有的矩阵电极5，矩阵电极5呈双排矩阵形，分别布置在靠近巷道左右两帮的底板处，行间距和列间距根据探测目的和现场决定并按照固定间距布置；行间距为3m，列间距为5m，矩阵电极5与多芯电缆4用连接线夹6依次连接，多芯电缆4与现场主机7相连接，形成矩阵探测网络；

（3）具体测量，对供电巷道内的上巷2内的每个供电点进行多频依次供电，对应在另一巷道的下巷8的探测区域内布置的所有观测点进行ΔU

（4）如图8所示；现场主机7采集的原始数据按照不同工作方式进行数据提取，于原始数据中任意提取出包括二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置、轴向单极—偶极装置、赤道单极—偶极装置等多种常用装置的电测深、电剖面、电透视工作方式的数据中的一种或几种。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。