电场激励法超前探测原理及仪器发射部分研制.pdf

第 1 3卷第 1期 2 0 1 6年 2月 华北科技学院学报 J o u r n a l o f N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo1 ．1 3 No ．1 F e b ． 2 0 1 6 电场激 励法超前探测原理及仪器发射部分研制 张伟杰 ， 罗建 国， 胡兴志， 孙辉辉 华北科技学院 机电工程学院， 北 京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘要 为了丰富和提 高煤矿巷道电法超前探 测的手段和效率 ， 利 用煤岩激发极化和 电场 同性相 斥的基本性质 ， 分析在双频激电电流作用下的约束 电场的百分频率效应 ， 得 出前方 围岩特性来间接 判断地质异常。所研制的超前探测仪发射部分采用整流隔离稳压和模块化设计， 示波器得到的发 射 电流波形为双频波， 强度可方便调节 ， 达到 了设计要求。 关键词 电场激励法 ； 超前探测 ； 百分频率效应 ； 隔离稳压 ； 双频波 中图分类号T D 7 4 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 27 1 6 9 2 0 1 6 0 1 0 0 8 1 0 5 The a d v a n c e de t e c t i o n p r i n c i p l e o f e l e c t r i c- - fie l d e x c i t a t i o n me t ho d a n d t h e d e v e l o pme n t o f i ns t r ume n t ’ S e mi s s i o n pa r t Z HA N G We i j i e ， L U O J i a n - g u o ， H U X i n g - z h i ， S U N H u i - h u i S c h o o l o fMe c h a n i c a l e l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， No r t h C h i n a I n s t i t u t e o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，r a n j i a o ， 1 0 1 6 0 1 ， C h in a Abs t r a c tI n o r de r t o e n r i c h d e t e c t i o n me a n s a n d i mpr o v e t h e e ffi c i e n c y o f e l e e t r i c a l me t ho d i n a d v a n c e d d e ． t e c t i o n．W e c a n o bt a i n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f r o n t s u r r o u n d i n g r o c k a n d t o i n d i r e c t l y d e t e r mi n e t h e g e o l o g - i c a l a n o ma l y b y a n a l y z i n g t he p e r c e n te q ue n c y e f f e c t o f d ua l e q u e n c y i n d u c e d p o l a riz a t i o n c u r r e n t l i mi t i n g e l e c t r i c fie l d b a s e d o n t he b a s i c p r o p e rti e s o f e x c i t a t i o n p o l a r i z a t i o n a n d i s o t r o p i c e l e c t r i c fie l d r e pe l i n r o c k ． Th e a dv a n c e d e t e c t i o n i n s t r ume nt ’ S e mi s s i o n p a r t a d o pt s i s o l a t i o n r e c t i fi c a t i o n r e g u l a t o r a n d mo d ul a r d e s i g n ． T h e t r a n s m i t t e d c u r r e n t w a v e f o r m i s o b t a i n e d b y t h e o s c i l l o s c o p e ．T h e c u r r e n t i n t e n s i t y c a n b e e a s i l y a d j u s t e d wi t h o u t p o l e ． Th e d e s i g n r e qu i r e me n t s a r e r e a c h e d． Ke y wo r ds e l e c t ric fie l d e x c i t a t i o n me t h o d；a d v a n c e d de t e c t i o n； p e r c e n te q u e nc y e f f e c t ； i s o l a t i o n v o l t a g e； d o u bl ee q u e n c y wa v e 0 引言 煤矿井下巷道掘进面前方隐伏 的有害地质构 造 ， 给工作人员和机械设备带来很大威胁 ， 其中水 灾更为普 遍 - 3 ] 。因此 ， 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” 。 目前 ， 常用于煤巷超前探水 的方法有钻探法 、 直流电法、 瞬变电磁法、 地质雷达法等。 钻探法属于破坏性探测 ， 通常与物探方法配 合使用 ， 主要用于验证物探 的准确性 ， 进一步核实 物探结果。钻探法中的超前水平岩芯钻探是一种 传统而可靠 的方 法 ， 但是 ， 探水 钻机设备结构复 收稿 日期 2 0 1 51 22 6 基金项 目 中央高校基本科研业务费资助 3 1 4 2 0 1 5 0 9 8 作者简介 张伟杰 1 9 7 2 一 ， 女， 河北邯郸人， 博士、 博士后， 华北科技学院机电工程学院副教授， 研究方向 机械电子工程。E - m a i l w z h a n g w e i j i e 1 6 3 ． e o m 81 华北科技学院学报 杂 ， 施工费用高 、 占州施工时间长。 矿井直流电法又称为矿井 电阻率法， 通过测 量多点电阻率值 ， 对 比多条 电阻率曲线来判 断掘 进前方的异常特征。此方法对含水构造敏感 ， 探 测距离较大。但是受电场全空问效应 的影响大 ， 相对而言干扰 L大 J 素较多 ， 误报与漏报率较大。同 时 ， 探测过程中的跑极工作量大 ， 施工时对巷道长 度有一定 的要求。 瞬 变 电 磁 法 T i m e d o ma i n e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d ， T E M是利用不接地 回线或接地线 源向 地下发射一次脉冲电磁场 ， 在一次脉冲电磁 场问 歇期间， 利用线圈和接地电极观测地下介质中引 起的二次感应涡流场 ， 从 而探测介质 电阻率的一 种方法 。在井下巷道中进行探测 时， 罔的 尺寸和发射装置的功率因巷道空问狭小和金属设 备而被限制， 导致探测精度和深度受到影响 总之 ， 各种物探方法都有其特定的使用条件探 测特征 ， 但是对于掘进面超前探测时所期望的随探 约束电极 ． ． ． ⋯一 一 一 一 。 ，。 _● ’ I l ●I I t 0 { 电极 I ’ B 8 B 4 I A I - 。 ． ●I I ～ ‘ T l l ． ． ． 1． ～r - -． l { 7‘ 一 - l { f1 ． B5 t a 电极布置 2 0 1 6年第 1期 随掘 、 掘探一体 的 日标仍然存在 小 的 离。【 夫 l 此 ， 研究和探索一 种新的探测方法 ， 实现掘进 全 方位探测并提高探测的精确度和效率 ， 意义重大。 1 电场激励 法超前探测原理 如图 1 a 所 永 ， 主 电 极 A位 于 巷道 断 嘶 f f 1 央， 约束 电极 B 1一B 8 布置在 四周 。主电傲和约 束电极 同时向掘进前方发射同频 率 、 同极性 的双 频 高频 和低频 交流 电流 ， 根据 同性相 排斥原 理 ， 两种电极产生的电场相互排斥 ， 使探测电场的 传播方向与范围得 以约束 ， 即在前方探测距 离内 呈喇叭 口状 ， 从而很好地控制 r电场在介质中传 播的方向性问题 ， 消除了电场的全空间效应 。{ n 1 1 b ， C为接地 电极 ， 在 Ac及 B 1 8 一C 之问经围岩体 内部存 在电场 ， 当探测 电场穿过地 质异常体时 ， 产生激发极化效应 ， 测量 A卡 C之 问的电位差信号 ， 可获得 围岩激发极化信息， 从而 判定前方 围岩地质状、f兑 。 图 1 电极布置与 电场效果 约束 设 △ ， 为系统 以高频 供电时测得的电 极 A与 C之间的电位差 电流； △ ， ， J 为系统以低 频 供电时测得的电极 A与 C之 间的电位差 电 流 。根据式 1 、 2 可求得高频视 电阻率 P ， ， 和 低频视电阻率P p H AV u 1 p _ _ _ _ AV I ． 2 取 l f I | 时 ， P F E t P e r c e n t e q u e n c y e f f e c t ， 百分频率效应 的值为 啪 P ％ ％ ㈩ s ￡ △ 将由式 1 ～ 3 获得的反 映围岩激发极化 f b 电场约束效果 信息的视电阻率 P 及 百分频率效应 P 值等参 数与无地质异常时的值对比， 若两者相同 ， 则前方 无地质异常 ， 反之 ， 若两者数据值有差别 ， 说明前 方有异常。用 曲线表示参数变化规律时， 若 禽水 ， 视电阻率曲线 出现凹谷， 而对应 P F E曲线 l叶 I 现i ．q l 峰 ； 含陷落柱时 ， 视 电阻率 曲线出现凸峰 ， 对脯 P F E曲线出现凹谷 ； 含断层时 ， 视电阻率曲线单次 阶跃上升 ， 而对应的 P F E曲线单次阶跃 卜 降。 2超前探测仪结构 2 ． 1 超前探 测仪总体 结构 超前探测仪 由发射 、 接收 、 电极 、 湿示及配套 的解释软件组成 ， 如图 2所示。 第 1 期 张伟杰等 电场激励法超前探测原理及仪器发射部分研制 图 2 超前探测仪 总体 结构 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 ， 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 。 发射部分由发射电源、 发射控制和发射装置 组成。发射装置通过主电极和约束 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组合 1 H z 及 1 ／ 1 3 H z ； 2 Hz 及 2 ／ 1 3 Hz ； 4 Hz 及 4 ／ 1 3 Hz ； 8 H z 及 8 ／ 1 3 Hz 。 通过发射控制可以调节主 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 约束效应 。 接收部分 由接收电源 、 接收控制和接 收信号 调理组成。接收信号调理在接收控制作用下可接 收测量电极传来 的围岩介质激电信号 ， 并 对激电 信号进行数据处理 、 计算 ， 将计算数据传给接收控 制 ； 接收控制与发射控制之间通过 R S 4 8 5进行通 信， 对发射电流频率进行同步性控制和数据传输。 发射电源取 自掘进机提供的 A C 1 2 7 V电源 ， 接收电源为掘进机上的 D C 2 4 V电源。 2 ． 2 超前探 测仪发射部分原理及结构 超前探测仪发射部分具备的功能有 1 输入电压为交流 1 2 7 V， 可同时输 出5路频 率和相位相 同、 电流幅值单路可调的双频调制 电 流方波 ， 电流幅值在 1 Om A～ 2 0 0m A连续可调 ， 分 辨率达 0 ． 1 mA， 且输出电压上限不超过 8 0V； 2 在 L E D屏上显示 5路输出电流幅值 、 电 ， ， 压幅值 和接地电阻值 R R 5 一 - ， i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 1。 5 ； 3 与接收部分进行实时通讯 ， 将各路输出 电 流传送给接收部分 。 根据 以上功能要求 ， 发射部分结构如图 3所 示 ， 由处理 器 、 人机 交互模 块 键 盘 、 显示 器 、 打 接 收 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一 图 3 发射 部分 结构 8 3 第 1 期 张伟杰等 电场激励法超前探测原理及仪器发射部分研制 5 瓣 酶 薄 辑 辩 赫 嘴 1 羹 日 瓣 缛 潞 嚣 图 5 同时发射两路 电流 时的波形图 束 电极 电流强度比值变化 ， 则形成探测方位变化 ， 形成方位效应 。发射极 电流和约束电极 电流强度 变化是无极调节的 ， 因此形成探测前 向半空间的 前 向和偏 向扫描 ， 从而获得地址异常体的距离、 方 位以及大小。 参考 文 献 [ 1 ] 韩进 ． 矿井水害监控及决策支持技术研究[ D ] ．上海 上 海大学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 李新凤 ， 魏久传 ， 尹 会永 ， 等 ．肥城 矿区矿 井水害类 型及特 征研究 [ J ] ．煤矿开采 ， 2 0 o 8， 1 3 2 1 31 5 ． [ 3 ] 李佩全 ， 刘登 宪， 李永 ．淮南 矿区矿 井水 害调研 分析 [ J ] ． 华北科技学 院学报 ， 2 0 0 8 ， 5 1 58 ． 耱 鞫夔 { 醐瀚 ⋯ ； ； I l 瓿 一 稔 务蔫 嚷 最 l 勰女 峰 l 蛐 漕鼢 1 鼢 鞣 釉赫 瓤 璐勰M ～ 哼 筛鹋⋯ 纛豳髑 潦 一 噶 一一 融嚼t 0 ⋯ 蝽 瓤 辩 稚 i 瓣 t ∞ t 铂 瓤 嚣 辑 国家安全生产 监督管理 总局 ．煤矿 安全规程 [ M] ．北京 中国法制 出版社 ， 2 0 1 0， 2 ． 刘树才 ， 岳建华 ， 刘志新 ．煤矿水文物探技术与应用 [ M] ． 江苏徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 5 ， 1 0 ． 靳福忠 ． 掘进工艺[ M] ．徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 1 1 ． 何 继善 ．隧道超前探测 方法技术 与应用研 究 [ J ] ．工程物 理 学报 ， 2 0 0 4， 8 2 9 4 ． We ij i e Z h a n g ， Mi n g r u i H a o ， We i z h e n Z h a n g ， Mi a o Wu ．S t u d y o n Re a hi me Ah e a d De t e c t i o n T e c h n o l o g y f o r Mi n i n g Ro a d wa y B a s e d o n D o u b l e F r e q u e n c y I n d u c e d Me t h o d [ C] ．T h e 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Me c h a n i c Au t o ma t i o n a n d Co n t ml E n g i n e e r i n g， 2 01 1 ， 0 7 中国矿业大学 北京 ．电场约束法煤 安型综掘机载地质构 造探测系统 中国 ， 2 0 1 1 1 0 4 3 0 0 6 6 ． 0[ P ] ． 2 0 1 3 ． 8 5 啪 ]{ ] ]]． _寸l