基于双频激电法的煤巷综掘超前探测系统研究.pdf

★ 煤炭科技 地质与勘探 ★ 兖州煤业股份有限公司协办 基于双频激电法硇煤营综掘超前探测系统酮奔 张维振 杜毅博 张伟杰 吴 淼 * 1 ．中国矿业大学 北京 ，北京市海淀区， 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．华 北科技 学 院机 电工程 系，河 北省三 河 市，0 6 5 2 0 1 ‘ 摘要提 出 了一种 基 于双频 激 电法的煤巷 综掘 超前探 测 系统 ，针对 煤巷掘 进前 方地 质 异常的探测，利用巷道中现有锚杆作为电极 ，向掘进 区域发射双频电流，通过分析区域 内介 质 的激发 极化 信 息判 断掘 进前 方 隐伏的地 质构 造 ，采 用 角度扫描 和 深度扫描 方 式确 定异 常体 的位置。该 系统可与掘进机配合使用，且具有探测速度快、精高度，实时性好、操作方便等 优 点 。 关键 词 掘进 工作 面 超 前探 测 激发极 化双频激 电法 角度 扫描 深 度扫描 中图分类号T D1 6 6 文献标识码A Ad v a n c e d e t e c t i n g s y s t e m b a s e d o n du a l f r e q u e n c y I P me t ho d f o r c o a l r o a dwa y m e c ha ni z e d t u nn e l i ng Z h a n g We i z h e n ， D u Y i b o ，Z h a n g We ij i e ， Wu Mi a o 1 ．Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Be i j i n g，Ha i d i a n，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a ； 2 ．De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c En g i n e e r i n g，No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，S a n h e ，He b e i 1 0 1 6 0 1，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t O d e t e c t t h e g e o l o g i c a l a n o ma l y h i d d e n i n f r o n t o f t h e e o a l r o a d wa y，t h i s p a p e r p u t s f o r wa r d a k i n d o f a d v a n c e d e t e c t i o n s y s t e m b a s e d o n d u a l f r e q u e n c y I P me t h o d f o r c o a l r o a d wa y me c h a n i z e d t u n n e l i n g，wh i c h t a k e s a d v a n t a g e o f t h e e x i s t i n g r o a d wa y a n c h o r s a s e l e c t r o d e s t o 1 a u n c h d u a l f r e q u e n c y c u r r e n t t o t h e h e a d i n g a r e a ．B y a n a l y z i n g t h e i n d u c e d p o l a r i z a t i o n i n f o r ma t i o n o f t h e me d i u m i n t h e h e a d i n g a r e a ，i t c a n d e t e r mi n e t h e h i d d e n g e o l o g i c a l s t r u c t u r e a h e a d o f t h e r o a d wa y ．By u s i n g t h e a n g l e s c a n n i n g a n d d e p t h s c a n n i n g，i t c a n d e t e r mi n e t h e l o c a t i o n o f t h e a b n o r ma l b o d y ．Th i s s y s t e m ，wh i c h h a s h i g h d e t e c t i n g s p e e d a n d p r e c i s i o n，g o o d r e a l t i m e p e r f or m a n c e ，e a s y op e r a t i o n a nd ot h e r a dv a n t a g e s ，c a n b e a p pl i e d t o g e t he r wi t h t h e t u nne l bo r i ng ma c h i ne s ． Ke y wo r d s t u n n e l i n g f a c e ，a d v a n c e d e t e c t i o n， i n d u c e d p o l a r i z a t i o n，d u a l f r e q u e n c y I P me t h od，a n g l e s c a nn i ng，de pt h s c a nn i ng “ 有掘必探 ，先探后掘”是煤矿掘进必须遵循 的原则 。随着井下掘进设备逐步实现机械化 、自动 化 ，掘进效率不断提升 ，目前的超前探测水平难以 满足快速、高效掘进的要求， “ 探 、掘”矛盾 已成 为制约煤矿安全高效 生产 的一大难题。 “ 探、掘” 矛盾在于尚未有一种成熟有效的物探方法及设备能 较为准确的预报掘进前方隐伏 的地质构造，进而保 障掘进工作安全 、快速进行 。 * 基 金 项 目 国 家“十 二 五 ” 8 6 3 计 划 重 大 项 目 2 0 1 2 AA0 6 A4 0 5 3 0 目前煤矿井下采用的超前探测方法大多是井上 物探 方法 在井 下 的变相应 用 ，通常采 用 的探测方 法 包括瞬变 电磁法、地质雷达法和地震波法等 ，但这 些方法要实现煤矿井下的超前探测 ，仍存在探掘分 离、预报准确率低等一系列问题，并且煤矿井下环 境复杂 ，所以下井电气设备必须满足防爆要求 ，这 对设备的电气参数有更为严格的限制。 因此 ，研发适用于煤矿井下超前探测技术与设 备具有重要的现实意义。基于双频激 电法的煤巷综 掘超前探测系统采用 了双频激电法探测技术 ，对煤 中国煤炭第 3 8卷第 1 2期 2 0 1 2年 1 2月 巷中含水地质构造、断层 、陷落柱等地质异常有很 好的探测效果 ，并且该系统受煤巷中复杂环境和机 械设备的影响较小 ，更适合煤巷地质异常的超前探 测 。 1 双 频激 电法 原理 双频激 电法是基 于岩石 的激发极化 I n d u c e d P o l a r i z a t i o n 现象 ，地 下岩 体在 人工 电场 一次 电场作用下会发生复杂的电化学过程 ，形成一个 随时间增加而增长的极化 电场 二次电场 ，他们 的叠加 称 为总 场 。 为了获得明显的激发极化效应 ，双频激电法采 用两个不同频率的电流来激发 ，如图 1 所示 ，通过 发射电极 A、B向地下供入高 、低频混合电流，低 频 电流使探测区域 内介质充分激发 ，测得低频 电位 差 △ 中含有足够 的二次场 电位 ，而高频 电流使 介质来不及极化 ，测得高频 电位差 △ 接近于一 次场电位 。高、低频 电位差全部包 含于测量 电极 M 、N 所 测 电位差 △VM N中 。 图 1 双 频 激 电 法 探 测 不 意 图 双频激电法将 △ M 中的高 、低频 电位 差分 离，用二次场 电位差 与总场 电位差 的百分 比 PF E P e r c e n t F r e q u e n c y E f f e c t 值来表征上述激 发极 化现象 ，定义为 PFE 一 丝 1 o 0 1 △V L P F E值 可 有 效 反 映 探 测 区 域 地 质 构 造 的极 化 程度 。岩体性质影响岩体极化率高低 ，如果地下岩 体存在如金 属、水体 等易极化地 质构造 ，测得 的 P F E值将 比未含异 常体 时高，从而可判断异常地 质结构的存在 。 双频激电法一般采用 中梯装置进行探测 ，测量 电极 MN 在 AB 中间 的三分之一 地段 逐点测 量 ， 计算 各测 量点 处 P FE值 ，并 绘 制 P FE值 曲线。 根据 P F E值及其变化趋势，可 以判断出探测 区域 基于双频激电法的煤巷综掘超前探测系统研究 内隐含的地质构造的大致位置。 2 双频 激 电法在 煤矿 井 下的应 用 双频激 电法主要用于野外对金 、银等贵金属和 铜、铅、锌等有色金属矿产资源 的勘查和地下水资 源勘查，其探测方向向下，而煤巷的超前探测 ，异 常体位于掘进的前方 ，需向前探测，所 以煤巷综掘 超前探测系统采用二极装置的变形形式，如 图 2所 示 。 图 2二 极 装 置 不 意 图 二极装置的特点是供 电电极 B和测量 电极 N 均位于巷道后方“ 无 穷远”处，无穷 远是相对概 念 ，指相对于 A 极 电位小到可 以忽 略的位置。通 过移动 AM 电极进 行逐点测量 ，以确定异常体位 置 。 二极装置在煤巷超前探测应用的示意图如图 3 所示 ，发射电极 A 向探测 区域发射双频 电流 ，形 成探测电场 ，异常体在 电场的激励下会发生极化现 象 ，极化信息被反 映在两测量 电极 MN 所测 电位 差△UM 中，通过分析 P F E值 曲线就可以判断探 测区域内隐含 的地质构造和其大致规模 。 图 3 二极装 置在煤 巷超 前探 测应用示 意图 3 煤巷 综掘 超前 探测 系统 及其 方法 3 ． 1 系统 总体 结构 基于双频激电法的超前探测系统主要用于煤巷 掘进 面的超前探测，其组成如图 4所示 ，主要由煤 巷综掘超前探测仪、液压式探测发射电极、多个约 束电极和接地 电极组成 。 3 ] 其中，超前探测仪包括发射模块和接收模块两 部分 ，发射模块通过电极发射双频电流 ；接收模块 接收和处理极 化信息并判 断前 方地质构造异常情 况 ；探测电极的作用是 向前方围岩发射双频 电流 ， 在 围岩中形成探测 电场 ；约束 电极的作用是发射与 探测电极同频电流，在围岩中形成约束电场 ，利用 电场同极性相斥的原理改变探测电场原来的传播方 向，使其方向可以控制 。接地 电极的作用是使电场 形 成 回路 。 A A 约束 电极 ．．． 4 ⋯ B2 ⋯ , ⋯ 4 。 B ． 3 ． , ． ‘ ； ． ， ． 发射电极0 4 B； ． 8 ． al ．B4 一 ～ ⋯ ⋯。 ’ ‘ 4 B7‘ ‘ 4口 4 B5 A 3 ． 2 电极 布置 形 式 如图 4所示 ，探测电极安装在液压缸活塞缸杆 端头 ，液压缸缸体固定在掘进机机身上，探测时， 活塞杆伸出，将发射 电极插入待测区域煤岩的几何 中心位置 。8个约束电极 以探测电极为中心 ，呈正 四边形插入待测 区域煤岩中。接地电极放置于掘进 巷道后方 “ 无穷远”处，考虑到煤矿井下的安全掘 进距 离 ，接地 电极 可 置 于掘 进 巷 道后 方 7 0 ～ 8 0 m 处 ，此时接地电极可视为 “ 无穷远” 。 A a AA断面 b 掘进 工作面超前探测系统布置 图 4 约束电场法煤巷机载超 前探 测系统 1 一掘进机 ；2 一超前探测仪 ；3 一探测电极 ；4 一 约束 电极 ；5 一掘进待测区域；6 一接地 电极 3 ． 3 系统 探 测 方 法 在电极布置好之后 ，探测仪发射模块通过探测 电极和约束电极发射 同频率的双频合成波电流 ，分 别在掘进待测 区域介质 中形成探测 电场 和约束 电 场 ，探测电场在约束电场的作用下向前传播 ，前方 介质在电场的激励下会发生极化效应 。 发射 电极同时也作为测量电极 ，探测仪接收模 块接收测量电极和接地电极间的极化信息。通过对 极化信息进行放大和滤波处理 ，分离其中的高 、低 频电位差成分 ，利用公式 1 计算 P F E值并绘 制 PF E值曲线 。根据 P F E值及其 变化趋势 ，从 而判断掘进前方是否存在含水地质构造 、断层 、陷 落柱等地质异常。 3 ． 4 系统 半空 间扫描探 测 的 实现 有害地质构造可能不仅存在于掘进正前方 ，还 可能存在于顶 、底板或侧帮处 ，所以超前探测要对 掘进前方整个半空间实现扫描探测。扫描探测包括 深度扫描和角度扫描 ，深度扫描确定异常体距离 ， 角度扫描确定异常体偏离正前方的角度 ，从而确定 异常体 的确切位置和大小。 在约束电场的作用下 ，探测电场形成喇叭口的 32 形状向前传播 ，当 8个 约束 电极的 电流强度相 等 时，每个约束 电极产生的约束电场 对探测电场的约 束作用都相 同，探测电场的传播方向为正前方 ，如 图 5 a 所示 ，极化信息被包含在喇叭 口探测的 区域内。当增大全部电极的电流强度 ，探测范围逐 渐由 1增加到 2的位置，以此实现 了超前探测的深 度扫描 。 当增大某一侧约束电极 的电流强度时 ，探测方 向偏 向该侧 电极 相反 的方 向 ；当增 大四边形 两条 相 交边上约束电极 电流强度时，探测 疗向偏向其对角 的方 向。通过调节各约束电极电流强度大小，可实 现各个角度方 向的偏转 ，如图 5 b 所示 ，以此 方式实现 了超前探测 的角度扫描。 电极 电极 轴 a 深度扫描 b 角度扫描 图 5 深度扫描和角度扫描示意 图 中国煤炭第 3 8卷第 1 2 期 2 0 1 2年 1 2月 通过发射模块对探测电极和约束电极的联合控 制 ，就可 以实现深度扫描和角度扫描的结合 ，即超 前探测的半空间扫描 。通过半空间扫描可以获取掘 进面前方地质构造的全部激发极化信息 ，从而判断 掘进 区域 内 的地质 构造 。 4模 型试 验研 究 针对煤矿井下工作环境特点研发 了煤巷综掘超 前探测仪的原理样机系统。仪器系统的主要特点如 下 1 系统主要由发射模块 微处理器 、驱动电 路 、发射电路 、智能采集仪、电缆 以及电极 等组 成 ，电极 布置在 模 拟巷道 的掘进 面上 。 2 发射模块的主要特色是实现了恒流发射双 频 电流 ，供 电电流范围为 1 ～5 O mA。 3 智能采集仪可实现微小信号的接收、滤波 处 理和 实 时显示 。 4 ． 1 含 水 断层 实验 台 为了对实际工程 中的双频激电法超前探测进行 模拟，设计 了以实际掘进地质构造为模型 ，缩小一 定 比例的含水断层地质构造实验台 ，如 图 6所示 ， 实 验 台 分 为 砖 垒 箱 体、异 常 箱 体 和 巷 道 模 型 3 个 部 分 。 a 实验台实体图 b 试验台剖面图 图 6 含水断层实验 台 砖垒箱体中装入砂土作为围岩材料。异常箱体 中装入含水石英砂 作为含水断层 ，箱底装有滑轮 ， 基于双频激 电法 的煤巷综掘超前探测系统研究 可从砖垒结构中推 出，箱体 内介质可进行更换。发 射电极和约束 电极 布置在巷道模型前端 的掘进 面 上 ，无穷远电极布置在巷道后方 3 m处 。 4 ． 2实验过 程 1 将异常箱体分别装人含水石英砂和砂土做 为异常地质构造，比较两种情况下极化电位差变化。 2 将一含水海绵埋入掘进前方某一位置，采 用角度扫描的方式 ，探测电场的轴线以掘进前方砖 垒箱体左壁为起点 ，逐步向右壁进行扫描，从而确 定异常体位置 。 实验数据经过统计和分析得到有、无异常体时 电位差对 比曲线和角度扫描过程中的电阻率变化曲 线 ，如 图 7和 图 8 所 示 。 4 ． 3实验 结论 1 在异常箱体中加入砂土视为没有异常地质构 造 ，加入含水石英砂视为含水断层地质构造 ，如图 7 中曲线所示，两种情况下的极化电位差有明显变化， 说明采用此种方法可确定异常地质构造的存在。 g C ＼ 槲 蛊 名 辎 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 输入电流／ mA 图 7 有、无 异常体时电位差对 比曲线 5 6 7 7 9 3 ．5 l 0 6 1 l 8 ． 5 l 3 4 扫描轴线距砖垒箱体左壁位置／ m 图 8 角度扫描过程 中电阻率变化 曲线 2 采用角度扫描的方式 ，可确定异常地质构 造 的大致位置 ，如图 8中曲线所示 ，探测 电场形成 喇叭 口在同一平面内从左到右扫描 ，电阻率不断变 化 ，电阻率最低 的位置即为含水海绵所埋的位置 。 下转第 5 4页 3 3 O O O O O O O O 0 O 加 如 加 m O 0 O O O 0 O 0 0 ∞ 加 m 5 4 技 术指 标和 经济 效益 1 4 3 下0 5 东工作面通过采用两个相邻 3 苄煤 层工作面合并开采 ，与分工作面开采相比，减少了 5 0 巷道掘进工程量，大大减少巷道支护成本 ，并 能 回收工作面巷道煤柱。以合面前工作面走 向长度 平均为 7 9 0 m 计算 ，合面后可以减少掘进巷道约 1 5 8 0 m，按 照巷 道掘进 支护成 本 3 0 0 0元 ／m 计 算 ， 可节省掘进支护用品成本约 4 7 ． 4万元 ，同时可 以 多 回收工作面煤柱约 3万 t ，创造利润约 9 0 0万元。 1 4 3 下 0 5 东工作 面合 面开采 的成功 实施 ， 可为下一步十四采区和四采 区其他 3 苄煤层工作面 的合并生产创造条件并积累合面开采经验， 3 苄煤层 工作面的合面开采 ，对于减少巷道掘进工程量 、集 中组织生产 ，以及缓解矿井接续的紧张局面、保证 矿井的稳产和高产 ，都具有十分重要的意义。 5 结语 1 4 3 下 0 5 东工作 面是 东滩煤矿第一个 工作 面长度超过 3 0 0 m 的综采工作面，截至 2 0 1 2年 6 月底 ，该工作面已经成功推进约 5 5 0 m，回收煤炭 资源约 9 0万 t 。3 苄煤层长距离工作面合并开采技 术的成功实施 ，在一定程度上为矿蚌安全高效创造 了条件 ，并为矿井的可持续发展奠定了基础。 参考文献 [ 1 ] 兖州煤业股份 有限公 司编 ．兖州矿 区厚煤 层矿井 巷 道布置 E M]．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 5 E 2 ] 杨德玉 ．安全高效矿 区建设 ．[ M]．徐州 中国矿 业大学 出版社 ，2 0 0 8 [ 3 ] 翟 德元 ，杨 键 军等 ．特厚 煤层 分 层 开采 技 术研 究 E J ]．中国煤炭 ，2 0 0 8 1 2 [ 4 3 翟新献 ，卢廷奇等 ．厚煤层 分层综 采技 术在平 煤一 矿的应用 E J ]．中国煤炭 ，2 0 0 2 1 1 [ 5 ] 张勇 ．上分层煤柱 下 的下 分层综放 开采技术 实践与 分析 E J ]．中国煤炭 ，2 0 0 6 1 0 作者简 介 王 中财 1 9 8 3 一 ，男 ，汉族 ，山 东 临沂 人 ，毕业于安徽理工大学 采矿工 程专业 ，现 任兖矿 集 团东 滩煤矿矿井设计师 ，主要从事井巷工程施工设计工作。 责 任编辑张毅玲 上接 第 3 3页 5 结语 本系统充分考虑了煤矿井下安全标准，可用于 对煤巷前方含水地质构造、断层、陷落柱等地质异 常的超前探测工作 ，具有相当的技术进步性及实用 性 ，并具有产业上的广泛推广价值 ，其具有下列优 点 1 采用了超前探测仪与掘进机一体化设计 ， 可 利用 打好 的锚杆 作 为探测 电极 ，克服 了掘进 面机 械设备繁多、空间有限造成的杂乱、拥堵 ，即简捷 性好 。 2 采用双频激电法做为探测原理，对含水地 质构造、断层 、陷落柱等异常地质构造有较好的预 报效 果 。 3 采用角度扫描和深度扫描方式，实现异常 体的定向和定深 ，可较为准确地确定异 常体的规 模 。 4 本系统采用短距离 ，多频次的探测方式 ， 探测时间短 ，多次探测可增加预报的准确率 ，并 随 着实时掘进 ，可验证预报的准确性 。 5 4 参考 文献 [ 1 ] 刘青雯 ．井下电法超前探测方 法及其应用 E J ]．煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 1 5 [ 2 ] 曹静 ，岳建华 ，刘 英 ．多层采 空 区综 合物探方 法研 究 E J ]．中国煤 炭 ，2 0 1 2 8 I- 3 ] 田劫 ，韩光 ，吴 淼等 ．矿井 独头巷道 掘进超前 探测 技 术现状 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 68 [ 4 ] 何 继善 ．双频 激电法 [ M]．北 高 等教育 出版 社 ，2 0 0 6 [ 5 ] 傅 良博 ．电法 勘探教 程 [ M]． 化京 冶金工 业 出 版社 ，2 0 0 7 E 6 ] 张伟杰 ，郝明锐等 ．基 于双频 激 电法 的煤 矿巷道 超 前探测新技术初探 I- J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 0 3 E 7 ] We i j i e Z h a n g ，Mi n g r u i Ha o ，We i z h e n Z h a n g ．S t u d y on Re a l t i me Ahe a d De t e c t i on Te c h no l o gy f o r M i n i n g Ro a d wa y B a s e d o n Do u b l e Fr e q u e n c y I n d u c e d M e t h o d r C ] ．Th 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 C o n t r o l En g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 作者简介 张维 振 1 9 8 7 一，男 ，北 京市 人 ，硕士 研究生 ，研究 方向为机械 电子工程 。 责任编辑张毅玲 中国煤炭第 3 8卷第 1 2期 2 0 1 2年 1 2月