基于双频激电法的煤矿巷道超前探测新技术初探.pdf

第3 8 卷第3 期 2 0 1 0年 3月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y V0 1 ．3 8 No ． 3 Ma r c h 2 01 0 基 于双频激 电法 的煤矿巷道超 前探测新技术初探 张伟杰 一， 郝明 锐 ，杜毅博 ， 刘建功‘ ’ 。 ，吴 淼 1 ．中国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3； 2 ．河北工程大学 ，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ；3 ．冀 中能源集团有限责任公司 ，河北 邢 台0 5 4 0 0 0 摘要双 频激电法煤矿巷道实时超前探 测技术是基 于岩 矿 石的激发极化效应 ，发射极和屏 蔽极 同时发射高、低 频交流 电，使掘进 面前方的岩石得 以充分极化。测出高低频电位差特性 ，通过 分析和计算得 出视 电阻率值和视幅频率，间接推 断工作面前方隐伏地质构造，为掘进 工作提供 可靠 的理论数据依据。 关键词 激发极化 ；极化效应；双频交流 电；超前实时探测 ；视 电阻率 中图分类号 T D 1 6 6 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 0 0 3 0 0 7 3 0 3 Di s c u s s i o n o n Ne w Pi l o t De t e c t i o n Te c hn o l o g y o f M i n e Ro a d wa y Ba s e d o n Do u bl e Fr e qu e n c y I nd uc e d M e t ho d Z H A N G We i - j i e 一， H A O M i n g r u i ， D U Y i b o ，L I U J i a n g o n g 一，WU M i a o 1 ．C h i n a U n i v e r s i ty o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e in g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．H e b e i U n i v e r s i ty of E n g i n e e r i n g，Ha n d a n 0 5 6 0 3 8， C h i n a； 3 ．J h o n g E ner g y G r o u p C o m p a n y L i m i t e d， X i n g t a i 0 5 4 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a l t i me p i l o t d e t e c t i o n t e c h n o l o g y b a s e d o n t h e d o u b l e fre q u e n c y i n d u c e d me t h o d o f t h e mi n e r o a d wa y i s t o f u l l y p o l a r i z e t h e r o c k i n fr o n t o f t h e r o a d w a y h e a d i n g f a c e w i t h t h e r o c k m i n e r a 1 i n d u c e d p o l a r i z a t i o n e f f e c t ， a n d t h e h i g h a n d l o w f r e q u e n c y A C e mi t t e d f r o m t h e e mi t t e d p o l e a n d s hi e l d p o l e．Th e hi g h a n d l o w f r e q ue nc y po t e n t i a l d i f f e r e n c e f e a t u r e s we r e me a s u r e d．W i t h t h e a n a l y s i s a nd c a l c u l a t i o n o n t h e a pp a r e nt r e s i s t a n c e v a l u e a n d a pp a r e n t wi dt h fre q u e nc y r a t e，t he h i dd e n g e o l o g i c a l t e c t on i c s i n fron t o f t h e h e a d i n g f a c e we r e i nd i r e c t l y de du c e d an d c o ul d p r o v i d e t h e r e l i a bl e t he o r e t i c a l d a t a r e f e r e nc e s t o t h e mi ne r o a d wa y he a di ng ． Ke y wo r d s i n d u c e d p o l a r i z a t i o n ；p o l a r i z a t i o n e f f e c t ；d o u b l e f r e q u e n c y AC；p i l o t r e a l t i me d e t e c t i o n；a p p a r e n t r e s i s t i v i t y 1 概 述 “ 有疑必探 ，先探 后掘” 是煤矿 生产过程 中 必须坚持的原则 。据统计 ，突水事故 大约有 6 5 ％ 发生在掘进阶段 ，煤与瓦斯突出发生在掘进阶段 占 8 0 ％以上 。因此 ，解决 巷道掘进 面超前探 测方 法 ，有效预报矿井掘进面前方隐伏地质构造具有重 要意义。目前 ，掘进面广泛应用的探测方法有钻探 法和电法。钻探法属于破坏性探测 ，虽然能够最直 接查清掘进面前方 的地层岩性 、构造 、地下水等 ， 并能定量分析含水量 的大小 ，但是所用探水钻机设 备复杂，施工费用高 、占用施工时间长，一次有效 探测距离短 只有十几米 ，频 繁操作 费时费力 ， 有时会破坏隔水层 ，直接引发突水事故 。电法包括 矿井直流电法和瞬变电磁法等 ，它们都是基于电阻 基金项 目国家 高技 术研 究发展 计 划 8 6 3计 划 重 点资 助项 目 2 0 0 8 A A 0 6 2 2 0 1 率法分析围岩的视电阻率 ，从而定性判断测点附近 的地质条件。这 2种方法对含水构造敏感 ，有较多 的工程实例 ，但是因发射电场为全空间球面形状 ， 在探测工作面前方地质条件的同时会受到工作面后 方顶底板 、侧面地质条件及设备的干扰 ，而易造成 虚报或误报 ，所以需要在资料处理解释中校正或剔 除。由于不能定量分析含水量 ，必要时还要用钻探 法进一步验证。另外两者都涉 及到布线和跑极 问 题 ，使得设备笨重 ，操作复杂 J 。 理想 的煤巷超前探测方法应该具有如下特征。 1 超前性 即探测距离较长 ，具有足够的安 全距离 ，且对地质异常构造敏感 。 2 实时性 可根据需要随时探 测，及时发现 地质异常，也可利用检修或支护时间进行探测。 3 方 向性 能有效控制探测方 向，准确测定 掘进面前方喇叭 口状范围内地质状况 ，且不易受后 方顶底板地质条件 的影响。 4准确性 不仅 能定性 探测前 方地质 异常 73 2 0 1 0 年第3 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 8 卷 如积水、断层、塌陷 、破碎带等 ，还能定量确 定其距离远近及含水量大小 。 5 简便性 设备体积小、质量小，便于实现 机载 ，操作简便 ，经济性能好。 基于激发极化 I n d u c e d P o l a r i z a t i o n ，简称 I P 原理 的 双 频 激 电 法 煤 矿 巷 道 实 时 超 前 探 测 D I MD技术能够 实现超前 、实 时、准确 、方 向 控制等要求 ，加快掘进速度。 目前 ，双频激电法主 要用在野外对金 、银等贵金属和铜 、铅 、锌等有色 金属矿产资源的勘查 ，也可用于地下水资源勘查 ， 国内外都有相关 的工程实例。但是双频激电法 尚未 用于煤矿掘进面的超前探测 。 2 D I MD技术的基本原理 煤矿掘进面 的岩石在人工 电场 一次 电场 激发作用下会发生复杂的电化学过程，并形成一个 随时间增加而增长的极化 电场 二次电场 ，两者 叠加的总场经数分钟后趋于饱和。这时切断 电源 ， 一 次电场会随之消失 ，但二次电场会经历一个随时 问逐渐衰减放电的过程，这种现象称为激发极化效 应或激电效应。电场的激电效应如 图 1所示 ，0曲 线为充电曲线，其 中 E 为总场强度 ，包含一次 电 场强度 E 。 和二次电场强度 E ；T s 为一次 电场消失 时刻 ；b曲线为一次电场消失后二次电场 的衰减 曲 线 。二次电场的强度和衰减持续时间的长短与介质 的组成有关，所 以可以通过观测和研究巷道掘进面 前方岩体的激电效应来探测其地质条件 J 。 图 1 电场 的激 电效应特性 双频激 电法的核心是 同时供高 、低 2种频率电 流 ，同时接收和测量经掘进面前方岩层传导后的含 有 2个主频率 也含其他频率成分 的激 电总场 的电位差。测得信息经放大 、滤波等一系列步骤得 到能反映激 电效应的电性参数 。掘进巷道内的电极 布置如图2所示。A 。 为发射极 系 测量极 ，A。 为 屏蔽极系 ，B为接地 电极。在 A n 至 B及 A 至 B之 间经岩体内部形成 电场。A 0 和 A． 两处 电极 同步 向 7 4 掘进面岩层发射同极性的双频交流电流 。根据同性 电流相排斥原 理，发射极 系 A n 产生 的发射电场和 屏蔽极系 A 发射的屏蔽电场相互作用，使发射电 场得以聚焦 ，并在探测距离内呈喇叭 口状 ，从而很 好地控制了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。发射极还负责测量介质中由 于激发极化效应而产生的电场电性参数 。接地电极 B可放置于工作面后方数十米外。 图2 电极布置 设 △ ，J『 ，P 为系统 以高频 供 电时测得 的电极 A． 与电极 B之 间的电位差 、电流和视 电阻 率值 ，P 。 △ ／ I ；A ，， ，p 为系统 以低频 供电时测得的电极 A 与电极 B之间的电位差 、电 流和视电阻率值 ， P A V L ／ I 。则百分频率效应或 视幅频率． 厂 为 f[ P s L ／ P ]1 0 0 ％ 1 当 ， ， 时 ，式 1 可 写为 -厂 [ A V L 一 △ ／ A ] 1 0 0 ％ ， f的含义为 激发极化 总场电位差 的振 幅因频率不 同而引起变化 的百分 率。它直接反映了工作面前方岩石的极化率。 岩体性质 如 有断层 、塌 陷、积水 、破碎带 等影响岩体视 电阻率和极化率高低 ，而-厂 值可以 反映极化信息。因此 ，实时检测掘进面前方岩体的 视 电阻率P 及l厂 值等电性参数并进行综合分析 ，可 以了解前方的隐含地质构造 。 3 D I MD技术的实现 在掘进机机身上纵向安装一个液压缸，将发射 极系 测量极A n 安装在活塞杆端部且 与杆之 间 绝缘 ；屏蔽极 系 A ． 安装在掘进机机身上 ，并 与机 身绝缘。探测时可将活塞杆伸出，使发射极插人工 作面岩石。发射极和屏蔽极同时发射特性相同的双 频电流 ，在前半 周期发射 频率为 ． 的低频 电流 ， 在后半周期发射频 率为． 厂 H的高频 电流。低 频时 ， 岩石得以充分极化 ，产生二次电场；高频时 ，岩石 张伟杰等基于双频激电法的煤矿巷道超前探测新技术初探 2 0 1 0年第 3期 来不及极化 ，而二次电场放电。发射和测量 同时进 行 ，所以在测得 的信号 中含有 与发射极 同频的高 、 低频 2种 电流量 ，但幅值和相位发生明显变化 。将 测得信号经放大及高 、低频滤波等处理 ，传送 到专 用处理器中，并分析计算可得 出视电阻率P 及 厂 值 等电性参数 ，从而间接判 断工作面前方地质 条件 。 信号流向如图 3所示。分析数据和结果也可通过网 络传输至地面工作站打印输 出。 鐾 攫 1 D I MD技术为实时探测 ，可实现边掘边探 ， 不影响掘进速度 。解决了探 、掘速度不匹配问题 。 2 解 决了电流在介质 中传播 的方 向性 问题 ， 消除了电法探测 中电场的全空间球体效应 ，不易受 到掘进面后方地质条件的影响。 3 设备功率较小 ，质量小。参 考类似仪 器， 输 出功率不大于 1 0 0 W。发射极 电流为 1 X 1 0 ～～1 A，电压为 2 0～ 8 0 V。 4 最大探测距离与发射 电流强度有关 ，故可 根据具体地质 、设备条件确定电流大小。 5 充分利用掘进面现有设备 ，发射极和屏蔽 极都安装在掘进机机身上 ，所以系统简单轻便 。 6 双频同时供 电，同时测量 ，某些偶然因素 对低频电位差和高频电位差的干扰相 同，计算．厂时 因相减而抵消，从而提高了精度 。 7 信号接收部分具有选频和滤波系统 ，只接 收固定频率信号 ，因此在克服电极极化不稳 、接地 条件不 良以及避免工业游散 电流和天然大地电流场 的影响等方面有优势 ，有较强的抗干扰能力 J 。 5 D I MD技术待解 决的 问题 5 ． 1 参数选择 1 电流波形和强度 。交 流激 电法常用电流波 形有正弦波和方波。2种波形对测量数据精度 的影 响有待通过试验观测 。选择的电流强度越大，则探 测长度越大，但所需设备功率越大。考虑到掘进面 的工作环境所限，电流不能太大 ，所以要在满足最 小探测长度的条件下选择合适的电流强度 。 在发射极电流 ， n 确定 时 ，调节屏蔽集 电流 ， ， 的大小 ，即改变 ， 。和 ， 0的比值 大小 ，影 响聚焦 电 场的发散程度和探测范围的大小。比值越大，探测 范围越大 ；相反 ，则范围越小 ，所 以要根据探测范 围的要求选择合适的比值大小。 2 电流频率及周期。视 幅频率． 厂 不但与地下 介质的性质有关还与 和 的选择有关。若 选 得太低 ，则受大地 电流 的干扰 较大 ，降低 观测效 率 ；若 选得太高 ，则受 电磁耦合干扰较重 ；如 果 和 十分接近 ，则 -厂 趋 向于零 ，得不到地下 介质的激发极化信息。工作频率通常为0 ． 1 ～1 0 ． 0 H z ，高 、低频间隔一般选为 l 0倍左右 。 目前用 于野外金属资源探测时所选频率多用 4 H z及 4 ／ 1 3 H z ，另外还有 8 H z及 8 ／ 1 3 Hz ，2 H z及 2 ／ 1 3 H z ， 1 H z 及 1 ／ 1 3 H z 。在一个发射周期里 ，高 、低频发 射时间各 占一半。周期选择是否合适将影响到岩石 能否在低频发射时间里得以充分极化 。在煤矿掘进 面的特定地质条件下 ，选择什么频率及发射周期能 更有效地探测前方地质构造有待通过试验研究。 3 电极的布置。在掘进断面内，发射极系及 屏蔽极系中电极数量 、间距及布置规律与测量效果 之间存在的关系有待研究。 5 ． 2测量与数据处理 要想获得掘进 面前方 岩石在发生激发极 化后 A n 与 B之间的电位差 ，可通过测得 测量电路 中输 入 电阻的压降来 间接反映，故要求输入 电阻与被测 岩石的视电阻相匹配，这就必须先对岩石的电性参 数进行估计 。同时 ，测量装置的动态特性也会影响 到测得数据的准确度 ，所 以，确定测量方案 中的各 项技术参数有待解决 。由于发射 电流为周期电流 ， 岩石的激发极化存在时滞性 ，所以选择开始测量时 刻及延时长短有待研究。 要利用测量装置测得的信号准确反映掘进面前 方的地质参数需要进行一 系列 的信号和数据处理 ， 如放大 、滤波、分析等 ，而且需要建立庞大的数据 库 ，并实现图形和图像 的处理等。 D I MD技术利用岩 矿 石 的激发极化特性 ， 充分利用掘进面现有的设备 ，有效测探工作面前方 隐伏地质构造 ，为掘进工作提供可靠的地质数据 ， 保障了掘进工作的高效性和安全性。 下转第 7 9页 75 梁为等煤层水压致裂封隔器的研制 2 0 1 0年第 3期 表 3各孔水压 致裂测试 结果 5 结 语 1 现场测试表 明，封隔器设计合理 ，止水效 果好 ，试验数据准确可靠。 2 该封隔器可 以在终孔后连续进行试验 ，避 免了试验与造孑 L 相互影响，提高工作效率 ，减轻劳 动强度，并且体积小 ，质量小 ，操作简便 ，适用于 井下作业。 3 封隔器采用钢丝膨胀 胶管 ，增加止水栓塞 两端扣头应力过渡带 ，选择合理的扣压量 ，采用直 径为 6 0 m m 的钻头钻孔 ，提高 了封 隔器的承压能 力和使用寿命。 4 为保证封孔段 的钻孔 质量 ，钻头选用二刀 片以上 的钻头或棒形 台阶式钻头。在钻进过程中 ， 采用快旋转慢推进的方法 。 5 该封隔器 可在任意方 向的钻孔 ，尤其是在 深钻孔 中进行除用于煤层抗张强度原位测试外 ，还 可用于煤层分段注水 、高压压水试验以及工程实际 需要的相关试验 。 6 使用封隔器测定煤层抗张强度对合理 留设 断层防隔水煤柱具有重要意义，能够产生良好 的社 会效益和经济效益。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 2 ] 煤炭一 L 业部 ．煤矿防治水规 定 [ M] ．北京 煤炭工业 出版 社 ，2 0 0 9 ． 吴基文 ，李炜 ，樊成 ，等 ．煤层 抗拉 强度原 位测试 研 究[ J ] ．力学与实践 ，2 0 0 1 ，2 3 4 3 6 3 9 ． 吴基文 ，樊成 ．煤块 抗拉 强度 的套 筒致 裂法实验 室测定 [ J ] ．煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 3 ，3 1 1 1 7 1 9 ． 张立新 ，沈泽俊 ，李 益 良，等 ．我 国封隔器 技术 的发展与 应用 [ J ] ．石油机械 ，2 0 0 7 8 5 8 6 0 ． 吴月先 ．金属密封封隔器的开发研制技术现状综述[ J ] ．石 油矿场 机械 ，2 0 0 6 ，3 5 4 4 7 4 9 ． 柴 国 兴，辛 林涛 ，谷 开 昭，等 ． z F皮碗 封 隔器 及 其应 用 [ J ] ．钻采工艺 ，1 9 9 9，2 2 2 4 3 4 5 ． 张利君 ．双胶 筒封 隔器的研 究与应用 [ J ] ．大庆石 油地质 与开发 ，2 0 0 6 ，2 5 S I 4 2 4 3 ． 王增林 ．膨胀 式长胶 筒封隔 器及其应用[ J ] ．石油钻 采工 艺 ，2 0 0 0 4 3 4 3 6 ． 康红普 ，林健 ，张 晓 ．深部 矿井地 应力测 量方法研 究 与应用 [ J ] ．岩石 力 学 与 工 程学 报 ，2 0 0 7 ，3 5 4 9 2 9 9 3 3． 中华人民共和国水利部 ．水利水 电工 程钻孔压水试验规 程 [ M] ．北 京 中国水利水电出版社 ，2 0 0 3 2 8 ． 安其美 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w z h a n g w e ij i e 1 6 3 ． t o m 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 6 ；责任编辑 赵瑞 7 9