煤巷综掘工作面聚焦双频激电法超前探测关键技术研究
第一章 引言
我国具有“少油、缺气、富煤”的能源结构特征，决定了煤炭产业是国家能源的支柱产业，煤炭能源为国家经济发展作出了巨大贡献。我国是世界上最大的煤炭生产和消费大国，自 2002 年以来，我国煤炭产量由 2002 年的 14.55 亿吨增加到2013 的 36.8 亿吨，一直占一次性能源消费的 70%左右[1]。伴随煤炭行业的迅速发展，煤矿安全生产状况明显好转，死亡人数迅速下降。然而我国煤炭行业是事故高发的高危行业，安全生产形势依然十分严峻，与煤炭工业发达国家相比，事故总量仍然偏大，群死群伤恶性故事时有发生，重大安全隐患还没有完全消除，给国家的经济发展和人民生命安全和财产损失带来巨大威胁[2-3]。
我国煤矿绝大多数为井工开采，存在多种自然灾害。在采掘过程中井筒和巷道本身要穿越不同的地质单元体，将不可避免地遇到突水、岩爆、垮塌及火灾等地质灾害，对采掘矿工生命安全威胁极大，伤亡事故频发。采掘作业成为煤矿最重要、最危险的前端生产环节，据统计，2002 年以来全国煤矿事故死亡约 70%发生在采掘作业区[4]。在煤矿五大灾害（瓦斯、粉尘、水、火、顶板灾害）中，水害威胁非常严重，是煤矿的主要灾害之一。在煤矿重大事故中，水害事故起数仅次于瓦斯事故。我国煤矿水文地质条件极为复杂，煤矿水害类型多样，受老空（窑）水、地表水、孔隙水、裂隙水、薄层灰岩和厚层灰岩岩溶水等多种水源的严重威胁[5-6]。
水害事故特点是群死群伤和重大财产损失。水害事故发生后，抢救难度大、救援复矿时间长、经济损失大，造成的社会影响大，同时给矿区水资源和环境造成巨大破坏。长期以来，煤矿水害给国家和人民带来的人身伤亡和财产损失极为惨重。据统计，2000—2011 年全国共发生水害事故 1089 起、死亡 4329 人；其中发生死亡 10 人以上重特大水害事故 87 起、死亡 1649 人，占水害事故的 8%和死亡人数的 38.1%[6]。如，2007 年 8 月 17 日，山东华源矿业公司因暴雨洪水、河岸决堤溃水导致洪水淹井，致使 172 人死亡；2010 年 3 月 1 日，神华集团乌海能源有限公司骆驼山煤矿重大突水事故，死亡人数 32 人，突水水源为底板奥灰水；2010年 3 月 28 日，华晋焦煤公司王家岭矿重大透水事故，死亡人数 38 人，突水水源为老空水。2009 年 11 月 27 日，吉林省梅河口市中和煤矿有限公司井下+143m 水平 7502 采区采煤工作面发生重大水害事故，造成 16 人死亡，直接经济损失 794.176万元。因此，《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》规定：“矿井必须做好水害分析预报和充水条件分析，坚持预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采的防治水原则”[7-8]。
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聚焦双频激电法煤巷综掘超前探测技术是以双频激电法（dual-frequencyinduced polarization method）[24]和聚焦电法为理论基础，利用双频激电法装置轻便、抗干扰能力强、工效高、仪器稳定性好、观测精度高等优点，并充分结合聚焦电法较强的穿透低阻屏蔽层能力和压制地表干扰等特点而形成的一种超前探测技术方法，与该方法相关的探测原理详述如下。
1.2.1 激电法探测技术基本原理
双频激电法属于激电法的一种。激电法是激发极化法（induced polarizationmethods）的简称，是指通过施加外界激励电场，使地下岩、矿石在人工电场作用下发生物理和电化学效应，产生随时间缓慢变化的附加电场（激发极化电场），根据岩、矿石不同程度的激发极化效应差异来探明地下介质的一种电法勘探方法[25-26]。激发极化法是最有效的物探方法，其应用范围日益广泛，在寻找金属矿、煤田、地下水（包括孔隙水、裂隙水和熔岩水）及解决工程地质等领域已取得显著的地质效果[27-31]。
按激电效应的类型，可将激发极化分为两种：一种是在稳定电流（或直流脉冲）激发下研究电场随时间充放电过程的激电效应，称为时间域激电法（即直流激电法）；另一种是在交变电流激发下研究电场随频率变化的激电效应，称为频率域激电法（即交流激电法）。频率域激电法包括变频法、相位激电法、频谱激电法（复电阻率法）和双频激电法。
（1）时间域激电法
时间域激电法（直流激电法）是研究岩矿石可极化介质激发极化效应随时间变化的特性。这个现象可用图 1.1 测量装置进行说明，由直流激电仪通过供电电极A 和 B 向地下介质供稳定的直流电流 I ，用毫伏计观测测量电极 MN 间的电位差MN V 随时间而变化的暂态效应。当电流流过可极化矿体时，在外界电场作用下，矿体发生电化学反应而被“极化”成原电池。由原电池产生的空间电场在 MN 间会形成二次电位差2 V ，2 V 随时间而变化的过程记为2 V (t )，如图 1.2 中的曲线 a所示，其变化速率先快后慢，最后趋于饱和值s V ，像电容器充电一样，把曲线 a称为充电曲线。因此，测量电极 MN 间的电位差 V (t )是供电电场产生的一次电位差1 V 和极化电场产生的二次电位差2 V (t )之和，是随时间而变化的函数。当停止向地下供电时，一次电位差1 V 迅速消失，而由极化作用产生的二次电位差2 V (t )先快后慢地减小，经数秒钟甚至到数分钟后才消失，如图 1.2 中的曲线 b 所示，像电容器放电一样，把曲线 b 称为放电曲线。
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第二章 煤巷综掘超前探测系统及试验样机研制
通过综述聚焦双频激电法煤巷综掘超前探测系统及探测仪原理样机工作原理，搭建阻容模型网络试验测试装置，分别对原理样机发送机和接收机基本功能进行性能测试，针对现存问题提出改进设计方案，完成发送机信号采集与方波电流控制隔离电路设计，经功能试验和样机整机性能试验，完成探测仪试验样机研制，为后续开展物理模型试验奠定良好基础。
超前探测仪发送机由电源、主控系统和输出系统组成，其基本功能是通过主电极和约束电极向掘进断面前方围岩介质同时发射 5 路极性相同、幅值强度不同、高低频率组合的双频交流调制方波电流。方波电流的工作频率有四种：1Hz 及1/13Hz ；2Hz 及 2/13Hz；4Hz 及 4/13Hz；8Hz 及 8/13Hz。通过发送机调节主电极和约束电极屏流比大小，使探测电场在掘进面前方发生不同程度的聚焦效应。超前探测仪接收机由接收机主控系统、信号调理系统组成，其基本功能为：通过测量电极接收围岩介质激电信号，对激电信号进行数据处理、计算与显示；同时可产生 2 路数字方波控制信号，对发送机发射电流频率进行同步性控制；能与发送机实施通信，通过 RS485 实现发送机与接收机的数据传输。
超前探测仪接收机和发送机供电电源由掘进机提供，为语音报警器、电铃、瓦斯断电仪提供的 AC127V 电源作为发送机的输入电源，为显示屏、温度变送器、电压表、电流表提供的 DC24V 电源作为接收机的输入电源。超前探测系统的电极由发射电极（包括主电极和约束电极）、测量电极和接地电极组成。主电极布置在掘进断面中心处，四路约束电极对称布置在主电极四周，测量电极可在掘进断面上进行观测，具体电极组合装置设计将在第五章进行论述与分析，接地电极布置在巷道后方数百米位置上，与发射电极形成空间闭合回路电场。
根据发送机功能要求，设计系统总体结构如图 2.2 所示。发送机由主控板和输出板组成。主控板由微处理器、键盘、显示器、通信模块、电压电流 A/D 转换模块、电流控制模块、主板电源模块等组成。键盘和显示器构成人机交互界面，由微处理器完成数据和命令处理，通过显示器显示发送机输出电压、电流和接地电阻；通信模块按 MODBUS 协议与接收机进行通信，将发送机实际输出电流值实时传给接收机；电压电流 A/D 转换模块将模拟量转换成微处理器能够处理的数字量；主板电源模块为主板各个模块供电。
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为使探测仪原理样机能够开展物理模型试验探测，必须对原理样机发送机和接收机基本功能进行测试，试验以探测仪发送机发射双频调制方波电流（频点可选为 1/13Hz 和 1Hz、2/13Hz 和 2Hz、4/13Hz 和 4Hz、8/13Hz 和 8Hz）为激励，通过阻容性或纯阻性模型网络，由接收机和示波器（或高精度采集仪）进行数据采集处理与波形显示，搭建阻容模型网络电路及测试装置如图 2.9（a）和（b）所示。
2.2.1 性能测试与原理样机存在的问题
（1）接收机输出方波控制信号功能测试
为控制发送机输出某一频率的双频调制方波电流，应先对接收机发射信号控制端 1 和发射信号控制端 2 发出的方波控制信号进行功能测试。按图 2.9（a）测试电路连接试验装置，并将发射信号控制端直接与示波器相连，通电后，接收机进行系统自检，进入系统主界面，通过参数设置选择频点和相位，设置完成后保存工作参数并复位，系统运行，通过示波器观测输出方波控制信号如图 2.10 所示，其输出波形符合理论设计要求。
（2）接收机对发送机频率和相位同步性控制功能测试
为保证发送机发射的双频调制方波电流高低频相位差为 ，且频率与接收机内部参考信号的频率一致，仪器设计中由接收机产生两路方波参考信号（图 2.10）对发送机进行同步控制。采用图 2.9（a）纯阻性电路对其功能进行测试，通过接收机参数设置选择测量频点为 1/13Hz 和 1Hz，相位差为 ，经纯电阻原件后，由示波器显示双频调制方波电流如图 2.11 所示。从输出波形可以看出，，调制方波电流高低频率为 1Hz 和 1/13Hz，相位差为 。同理，对其它频点分别进行测试，其结果均满足设计要求。
（3）发送机单路充放电激电效应性能测试
根据图 2.9（a）所示的阻容模型测试方案，以发送机发射 1 路（其它 4 路可分别单独进行测试）幅值为60mA、相位差为 的高低频组合的调制方波电流为激励，经阻容模型 RC 网络，由接收机和显示器分别进行数据采集处理和时域波形显示。取电阻 R1 1k 、 R 2 1k 、电容 C 20 F，通过接收机内部程序选择不同频点分别进行性能试验测试。在 BM 两端和 MN 两端测量的时域波形如图 2.12 所示，其时域波形变化趋势与电路理论计算分析相一致，BM 两端为纯电阻性元件，输出曲线为双频调制方波电压信号（图 2.12（a）），MN 两端为阻容性元件，输出曲线为具有激发极化现象的电压信号（图 2.12（b））。
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3.1 接地电阻计算方法及电极尺寸参数的确定 ....................45
3.1.1 电极设计基本要求及材料选择 .............................45
3.1.2 接地电阻计算方法 ..........................................46
第四章 聚焦双频激电法探测工作频率选择研究......................67
4.1 工作频率对聚焦双频激电法测量影响研究 .....................67
4.1.1 工作频率选择对激电异常幅度的影响 ........................67
4.1.2 影响工作频率选择因素分析 ................................68
第五章 聚焦双频激电法探测数值模拟与电极组合方式研究.............81
5.1 聚焦双频激电法煤巷超前探测数值模拟 ........................81
5.1.1 煤巷三维点源场的边值与变分问题 ...........................81
第六章 煤巷含水地质构造探测物理模型试验研究
为进一步验证探测仪试验样机的准确性和可靠性，研究煤巷含水地质构造激电效应特性变化规律及聚焦双频激电法超前探测机理的可行性，本章根据煤矿井下含水地质构造特点，通过搭建阻容和土槽物理模型试验平台，开展聚焦双频激电法煤巷含水地质构造激电效应特性和水平向前探测试验模拟。此研究对研制工程样机，指导煤矿井下工业性试验，创成聚焦双频激电法探测技术具有重要意义。
煤矿围岩地质工况复杂，常受强电磁干扰环境影响，现有的频域激电仪仅用于地面或隧道探测，尚未应用于煤矿井下。为弄清煤巷围岩介质及含水异常体的激发极化特性，验证聚焦双频激电法原理样机的准确性和可靠性，创成聚焦双频激电法煤巷综掘探测技术。本节基于阻容模型网络，针对煤巷含水地质构造开展聚焦双频激电效应探测试验模拟，进而得出含水地质构造激发极化特性变化规律。
6.1.1 构造含水地质构造物理模型
根据聚焦双频激电法超前探测机理，在电场聚焦效应下，与其它聚焦电法相类似，电流场像探照灯一样主要沿掘进断面正前方向传播，沿掘进面正前方电流密度远大于其围岩四周的电流密度。此时，试验模拟探测仅考虑沿掘进断面正前方的煤巷地质构造，而忽略其周围围岩的影响。大量野外和室内观测资料表明，石墨和含碳岩石电子导体、地下水离子导体具有各不相同的激发极化性质和特点，从微观上看，都具有面极化特性[24,130]，即把煤巷围岩介质的激发极化特性看为面极化。当在阶跃电流激发下，面极化体有一个充电和放电过程，其阻抗是充电时间和放电时间的函数。
土槽模型试验是超前探测正演最为有效的物理模拟方法之一，为进一步验证含水地质构造聚焦双频激电法超前探测机理的可行性，论文以物理现象相似性原理为理论基础，在平坦大地上开挖与煤巷激电效应探测相似的地电模型，分别开展无约束激电效应和聚焦激电效应试验探测模拟。
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第七章 结语与展望
主要研究工作如下：
1）针对聚焦双频激电仪原理样机存在的问题，提出改进设计方案，完成试验样机研制；
在聚焦双频激电仪原理样机发送机和接收机设计的基础上，搭建阻容模型网络试验测试装置，按照仪器系统功能设计要求，分别对发送机充放电激电效应、恒流限压、多路电流幅值可控性、接收机输出方波控制信号及对发送机同步性控制等功能进行测试，针对发送机单路电流幅值不能任意设定问题，提出改进设计方案，利用线性光耦技术分别对发送机信号采集与方波电流控制隔离电路进行设计。通过对改进后的样机功能和整机进行性能试验，测试结果表明研制的试验样机可满足物理模型试验探测要求，测量幅值和相位具有较高的观测精度和较好的稳定性，且测量相位比测量幅值具有更高的精度，为后续开展物理模型试验探测奠定良好基础。
2）针对煤巷实际地质条件，选择设计探测电极，分析接地电阻和电磁耦合干扰对双频激电测量影响，提出适合煤巷超前探测的减小接地电阻方法；
根据煤巷综掘探测电极设计的基本要求，选择电极材料，讨论棒状电极接地电阻计算方法，分析围岩介质电阻率、电极入土深度、电极半径等多种因素对接地电阻大小的影响，确定电极尺寸参量。为提高激发极化测量精度，减小接地电阻和电磁耦合干扰对双频激电测量影响，根据双电层电容器与激发极化机理的相似性，计算极化单元模型等效网络电路复阻抗，采用量纲分析理论验证复阻抗与双电层电容器的等效性，通过搭建简易给定参量阻容模型激电效应试验测试装置，分析其精度和可靠性，进而完成激电效应阻容模型网络测试方案设计。试验以超低频信号发生器产生的高低频率组合的调制方波信号为激励，由高精度数据采集分析仪进行数据采集与处理，分别在有无电磁耦合干扰时，模拟分析接地电阻对视幅频率的影响程度及变化规律，得出接地电阻是否需要减小及有效抑制电磁干扰的方法。同时结合煤巷实际地质工况条件，提出适合煤巷超前探测的减小接地电阻方法。
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参考文献（略）
本文编号：40841
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/40841.html
