煤巷综掘双频激电法超前探测正反演及信号发送机研究

发布时间：2017-11-01 21:31

  本文关键词：煤巷综掘双频激电法超前探测正反演及信号发送机研究

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【摘要】：我国是目前世界上矿井水害最为严重的国家之一,长期以来,煤矿水害事故一直制约着煤炭开采业安全生产的发展,给国家和人民的生命财产带来了极为惨重的损害。另外,陷落柱和断层虽然不会像水害那样造成生命财产的巨大损失,但是如果在煤巷掘进过程中没有及时发现其存在,势必会引起掘进设备的损坏造成经济损失,给巷道和顶板的维护造成困难,影响煤矿正常的掘采效率。因此,在煤巷掘进过程中快速、准确、有效的探明掘进工作面前方一定范围内是否存在灾害性含导水体,陷落柱和断层等异常地质构造,是保证煤矿安全生产的一项重要任务。目前,煤巷超前探测的方法主要有钻探法和物探法。钻探法是一种传统方法,用钻探设备向掘进面前方钻探一定深度的孔并取岩芯。通过观察和分析岩芯结构,来判断掘进工作面前方一定范围内是否存在灾害水体、陷落柱和断层等。此方法的不足之处在于:施工设备笨重、施工时间长、探测速度慢且距离短、遇到灾害性水体可能会引起突水事故、探测结果只是“一孔之见”,难以判断掘进工作面前方整个空间的地质情况。物探法是在矿井地下开采空间中,通过观测由地质变化引起的各种物理场分布及其变化特性,来判断地质结构的方法总称。与钻探法相比,矿井物探法具有经济、高效、无损、探测范围大、探采对比实证性强、运用灵活等优点。因此,煤巷综掘物探技术一直以来都是众多学者关注的课题和研究方向。目前,研究相对深入且在煤巷有一定应用案例的物探方法主要有四种:矿井直流电法超前探测技术、矿井瞬变电磁法超前探测技术、矿井地质雷达法超前探测技术、矿井地震波法超前探测技术。但是由于煤巷特定的工作环境以及煤矿对观测系统和仪器装备的特殊要求,给煤巷物探带来了技术瓶颈大,干扰因素多,数据采集和资料解释难度大等诸多难题。这也使得现有物探方法总是存在着一定的缺陷。分析总结众多物探方法的探测原理之后,中国矿业大学(北京)提出了聚焦双频激电法煤巷综掘超前探测技术。该技术将抗干扰能力强并在地面勘探金属矿领域得到应用的双频激电法,和探测距离远且在隧道施工中有试验案例的直流电场聚焦法进行了有机的结合。本文围绕煤巷综掘双频激电法超前探测正反演理论与激励信号发送机研制展开研究,完成了聚焦双频激信号发送机工程样机研制,建立了双频与聚焦双频激电法超前探测数学模型,分析了超前探测直测参数与关键目标参数之间的正反演关系,提出了关键目标参数反演方法,分析了不同布极方案的特点,并通过实验室模拟试验对样机性能和理论分析结果进行了验证。本文主要研究成果和结论如下:(1)研制了聚焦双频激励信号发送机工程样机。针对目前由于缺乏矿用聚焦双频激励信号发送机,而制约着双频和聚焦双频激电技术在煤巷超前探测领域中应用和发展这一现状,重点研制了聚焦双频激电仪激励信号发送机的工程样机。样机最多可同时输出五路相互隔离单路连续可调的双频调制电流方波激励信号,可以满足煤巷双频和聚焦双频激电超前探测技术对激励信号的需求。样机中采用了自身具有隔离功能的开关电源恒流电路,二次恒流电路,线性隔离电路,通信和调制信号隔离电路等电路,这些电路保证了五路输出探测信号加在同一介质时的单路可调性以及信号的稳定性和精度。此外按照煤矿对电气设备的本安要求,样机中对所有的输入、输出端口做了隔离和双重过流、过压保护等技术处理。其中,五路激励信号的保护电路不仅对信号质量不产生影响,而且能对信号起到双向双重过流过压保护作用。经测试样机能在介质中激发出明显的极化效应,并且样机在第三方的煤安检测中心通过了各项检测取得了防爆证书。(2)研究了双频激电法煤巷超前探测建模与关键参数正反演问题以点源电位场和介质电阻率的cole-cole模型为基础建立了双频激电法超前探测直测参数——视幅频率(PFE)关于煤巷超前探测的关键目标参数——地质异常体的大小及其到掘进工作断面的距离的解析数学模型。通过模型分析从原理上指出双频激电法,能够消除巷道空腔以及偶然相同干扰因素对探测结果的影响,具有抗干扰能力强的优点。利用数学模型对灾害性含、导水体,陷落柱和断层三种煤巷常见的超前探测目标体,在二极探测装置下测得的PFE值与超前探测目标体的大小和到掘进断面的距离等关键目标参数之间的正反演关系进行分析。并提出了依据视幅频率值的变化规律反演出灾害性含、导水体,陷落柱和断层的大小和距离的方法。(3)研究了聚焦双频激电法煤巷超前探测建模与关键参数正反演问题在双频激电法超前探测数学模型基础上,依据电场叠加原理建立了三极和五极聚焦条件下测点电位的频率域解析数学模型。通过所建模型,分析不同聚焦条件下屏蔽电流与主电流比值对探测结果的影响;研究了不同聚焦条件下二极装置跑极时三种常见典型超前探测异常体(灾害性含、导水体,陷落柱和断层)的厚度a、距离d和侧偏角θ1三个关键参数,与直测参数PFE%-R曲线的正反演关系。在理论上建议实际探测中电流比选用1:1;二极装置跑极时聚焦比不聚焦超前探测对异常响应更敏感,且侧偏角θ1的影响都可以忽略;五极聚焦比三极聚焦对异常体厚度a、距离d反应敏感,在探测距离方面存在如下规律,d五极聚焦二极跑极d三极聚焦二极跑d不聚焦二极跑极;提出了根据直测数据PFE%-R曲线变化规律分别反演出三种典型异常体厚度a和距离d的方法;(4)对超前探测不同异常体的不同布极方案进行了对比分析研究通过对不聚焦二、三极跑极,三极聚焦二、三极跑极和五极聚焦二、三极跑极等不同电极布置方案的研究指出,上述布极方案中超前探测灾害性含、导水体的PFE%-R曲线都是先增加后减小存在极大值点,探测陷落柱的PFE%-R曲线都是先减小后增加存在极小值点,探测断层的PFE%-R曲线都是一直减小且过零点,故可以根据这些特点利用PFE%-R曲线变化规律判断异常体的类型。另外,聚焦比不聚焦探测方案对异常响应更敏感,且对异常体的大小和距离分辨率更高。但是由于相同条件下聚焦探测方案的PFE%-R曲线极值点位置向前移,可使探测的距离增大。极值点位置前移使测得PFE%-R曲线极值点时测线R长度减小,探测数据相应减少,因此聚焦比不聚焦探测效率高且不易失去反演信息。总之聚焦与不聚焦相比探测分辨率高,探测效率高,探测深度大,失去反演信息的风险小。(5)开展实验室模拟试验,通过试验来检测聚焦双频激信号发送机工程样机的性能,验证理论分析的正确性。模拟巷道试验对研制的工程样机的性能和理论分析的结论进行了验证,试验模型中用泥土来模拟煤,在地面向下挖土槽然后向模拟地质异常体土槽中填充不同电性的可极化介质来模拟煤巷和典型地质异常体。工程样机功能测试结果表明,样机功能达到了预期的设计要求。模拟试验结果不仅证明了理论分析的正确性和所提方法的可靠性,另外还得出了相同聚焦条件下三极跑极探测方案比二极跑极探测方案的抗干扰能力强;相同测量方案下激励电流场不聚焦、三极聚焦和五极聚焦方案抗干扰能力依次增强的结论。
【关键词】：双频激电 超前探测 正反演 发送机工程样机 模拟试验
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P631.3;TD163.1
【目录】：

• 摘要4-7
• abstract7-15
• 1 引言15-35
• 1.1 课题来源15
• 1.2 课题背景15-18
• 1.3 双频激电法超前探测基本原理18-21
• 1.3.1 双频激电法基本原理18-20
• 1.3.2 聚焦双频激电法超前探测基本原理20-21
• 1.4 国内外研究现状综述21-29
• 1.4.1 煤巷综掘物探国内外研究现状21-24
• 1.4.2 双频激电法超前探测国内外研究现状24-27
• 1.4.3 聚焦双频激电仪国能外研究现状27-28
• 1.4.4 国内外研究现状总结28-29
• 1.5 问题提出29-31
• 1.6 研究目标及意义31-33
• 1.6.1 研究目标31-32
• 1.6.2 研究意义32-33
• 1.7 研究内容及技术路线33-34
• 1.7.1 研究内容33-34
• 1.7.2 研究技术路线34
• 1.8 本章小结34-35
• 2 聚焦双频激励信号发送机工程样机研制35-57
• 2.1 聚焦双频激电仪工程样机系统简介35-36
• 2.2 聚焦双频激电仪发送机工程样机总体方案36-38
• 2.3 主控模块38
• 2.4 隔离恒流及逆变模块38-49
• 2.4.1 一次隔离恒流模块39-48
• 2.4.2 二次恒流48
• 2.4.3 逆变模块48-49
• 2.5 双重过压过流保护模块49-52
• 2.5.1 双频激励信号输出端的双重过流过压保护模块49-51
• 2.5.2 串口及485通信的双重过流过压保护模块51-52
• 2.6 性能测试52-55
• 2.6.1 输出精度52-54
• 2.6.2 信号隔离效果测试54
• 2.6.3 防爆及本安性能测试54-55
• 2.7 本章小结55-57
• 3 双频激电法超前探测建模与关键参数正反演研究57-71
• 3.1 巷道对探测结果影响分析57-58
• 3.2 双频激电法超前探测建模58-63
• 3.2.1 时域建模59-60
• 3.2.2 双频激电法超前探测建模60-63
• 3.3 二极装置跑极超前探测关键参数正反演分析63-70
• 3.3.1 双频激电法超前探测灾害性含、导水体关键参数分析64-67
• 3.3.2 双频激电法超前探测陷落柱关键参数分析67-69
• 3.3.3 双频激电法超前探测断层关键参数分析69-70
• 3.4 本章小结70-71
• 4 聚焦双频激电法超前探测建模与关键参数正反演研究71-85
• 4.1 聚焦双频激电法超前探测建模71-74
• 4.2 三极聚焦二极装置跑极探测关键参数正反演分析74-79
• 4.2.1 三级聚焦二装置跑极探测灾害性含、导水体关键参数分析74-76
• 4.2.2 三级聚焦二级装置跑极探测陷落柱关键参数分析76-78
• 4.2.3 三极聚焦二级装置跑极探测断层关键参数分析78-79
• 4.3 五极聚焦二极跑极关键参数正反演分析79-84
• 4.3.1 五极聚焦二极装置跑极探测灾害性含、导水体关键参数分析80-82
• 4.3.2 五极聚焦二极装置跑极探测陷落柱关键参数分析82-83
• 4.3.3 五极聚焦二极装置跑极探测断层关键参数分析83-84
• 4.4 本章小结84-85
• 5 双频激电法超前探测不同布极方案研究85-101
• 5.1 激励电流场不聚焦不同布极方案研究85-92
• 5.1.1 不聚焦超前探测灾害性含、导水体布极方案分析86-88
• 5.1.2 不聚焦超前探测陷落柱布极方案分析88-90
• 5.1.3 不聚焦超前探测断层布极方案分析90-92
• 5.2 激励电流场聚焦不同布极方案研究92-99
• 5.2.1 聚焦超前探测灾害性含、导水体布极方案分析92-95
• 5.2.2 聚焦超前探测陷落柱布极方案分析95-98
• 5.2.3 聚焦超前探测断层布极方案分析98-99
• 5.3 本章小结99-101
• 6 实验室模拟试验研究101-113
• 6.1 试验模型设计101-102
• 6.1.1 模型相似性原理101
• 6.1.2 试验模型结构与尺寸101-102
• 6.2 激励信号发送机工程样机功能测试102-103
• 6.3 模拟试验内容及步骤103-111
• 6.3.1 超前探测灾害性含、导水体模拟试验与结果分析104-106
• 6.3.2 超前探测陷落柱模拟试验与结果分析106-109
• 6.3.3 超前探测断层模拟试验与结果分析109-111
• 6.4 本章小结111-113
• 7 结论与展望113-117
• 7.1 主要研究工作113-115
• 7.2 论文创新点115
• 7.3 展望115-117
• 参考文献117-125
• 致谢125-127
• 作者简介127
• 在学期间发表的学术论文127
• 在学期间申请且正处于实质审查阶段的发明专利127-128
• 在学期间授权软件著作权128
• 在学期间参加科研项目128
• 主要获奖128

【参考文献】

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本文编号：1128651