煤层中音频电磁波传播特性的研究.pdf

3 2 价 值工 程 煤层中音频电磁波传播特性的研究 Re s e a r c h o n Pr o pa ga t i on Cha r a c t e r i s t i c s o f Au di o El e c t r o m a g ne t i c W a v e s i n Coa l Se a m s 连杰 L i a n J i e ； 冯宏 F e n g Ho n g ； 王继矿 W a n g J i k u a n g 中煤 科工 集 团西安 研 究院 ， 西安 7 1 0 0 7 7 Ch i n a C o a l T e c h n o l o g yEn g i n e e r i n g Gr o u p Xi a n R e s e a r c h I n s t i t u t e， Xi “ a n 7 1 0 0 7 7， C h i n a 摘要 超前探测监测煤层中的地质异常体， 是保障矿井安全生产 的重要工作之一。文章从信号传播常数 的衰减方面， 研究 了音频电磁波在 三层层状煤层中的传播特性， 并提 出尝试运用音频电透视技术监 测_ Y - 作面地质情况， 为音频电透视仪 器的进一步发展奠定基础。 Abs t r a c t T he a dv a n c e d d e t e c t i o n a n d mo n i t o r i n g o n g e o l o g i c a l a no ma l o u s b o d i e s i n c o al s e a l n i s o n e o f t h e i mpo r t a n t wo r k s o f g ua r a n t e e i n g s a f e p r o d u c t i o n mi n e ． T h i s a r t i c l e s t u d i e s t h e p r o p a g a t i o n c h ara c t e ri s t i c s o f a u d i o e l e c t r o ma g n e t i c wa v e s i n t h r e e l a y e r e d c o al s e a ms f r o m t h e a t t e n u a t i o n o f s i g na l p r o p a g a t i o n c o n s t a n t ，a n d p r o p o s e s t o t r y t o u s e a u d i o e l e c t ric i t y p e r s pe c t i v e t e c h n o l o g y t o mo n i t o r g e o l o g i c al c o n d i t i o n s o f wo r ki n g f a c e ，S O a s t o l a y t h e f o u n d a t i o n o f f u rt h e r d e v e l o p me n t o f a u d i o e l e c t ri c i t y p e r s p e c t i v e i n s t r u me n t ． 关键词 超前探测； 音频电磁波； 监测 Ke y wo r ds a d v a n c e d d e t e c t i o n； a u di o e l e c t r o ma g n e t i c wa v e； a n o ni t o r i n g 中图分类号 T D 2 文献标识码 A 0 引言 对於采掘工作面 顶底 板含水构造 的探测现在还 没有其 它的方 法， 音频 电透视法在采掘工作面 顶底板含水 构造 的探测是唯一 的一 种方法， 采掘工作面顶底板含水构造 的探测是煤矿安全探测的重要 组成 ， 对於生产安全至关重要 ， 它是煤矿防治水 的主要手段之一。 矿井音频 电透视法属于传导 类电法 ， 它利用音频信号穿透能力 强的特征 ， 以岩、 矿 石的导电性差 异为基础 ， 人 工 向地下输入音频 电 流 ， 观 察大地 电场 分布规律 ， 绘 出反映探测 区域富水性强 弱的等视 电阻率平面等值 线图， 从 而确定岩 、 矿石 的分布规律及地质构造 ， 常 用于探测工作 面顶底板 导水裂 隙， 断层 、 褶 曲等构造。 研究音频 电磁 波在煤层 中的衰减情况 等传 播特性有助于进 一步开发音频 电透仪 的功能 ， 提高其探测数据 的准确性。 文章编号 1 0 0 6 4 3 1 1 2 0 1 2 1 2 0 0 3 2 0 2 如 图 1 所 示 ， 音频 信号从 巷道 A发射 ， 巷道 B接 收， 图为地下 存在含水异 常体 与不存在 的两种 条件下点位测 量曲线 的 比较 示 意 图。 黑色球状物质为含水 异常体。 对于井下局部地质体 的附加场 ， 可 以把 电流场 中导体 的异常近似看作 电偶极子 的异 常， 测量 曲线 的幅 度、 宽度与异常体 的大小、 异常体与围岩 的 电性 差异 以及 异常体 与 收发巷道的距离 等有 关。在地层垂 向结构相 同、 横 向相对均一 的情 况下 ， 视 电导率值越高、 异常幅度越大 ， 说明地层含水性越强。 其 中， 异常体体积 与含水程度越 大， 与 围岩 的 电性差 异越 大 ， 距 离 收发巷 道距离越／ J 、 ， 测量 曲线幅度越大 ； 反之则越小。1 1 2 ] 测量曲 1 音频 电透视法 ⋯ ， 矿井音频 电透视技术是基于地 下各种岩 矿 石之 间存在导 电 ⋯ 差异 ， 影 响人工 电场的分布形态 ， 利用专 门的仪器在井下观 测人工 场源的分布规律来解决水 文地质 问题 的技术方法。 该方法以点 电源 全空 间 电场 分布理论 为基础 ， 根据探 测获得 的数据 ， 以计 算各层段 视 电导率值为参数进行成图、 分析 与解释。一般 圈定参数值大于平 均值 标准偏 差的区域 为水 文异常区 ， 涌 出 水量 大小与视 电导率 值的异常变化幅度正相 关。 巷道A 基金 项目 中煤科工集团西安研 究院技术创新项 目 2 0 1 0 X A YC X 0 1 4 o 作者 简介 连杰 1 9 8 7 一 ， 男 ， 安徽淮北人 ， 在 读硕士研究生 ， 研究 方向为地 球 物理探测仪器技术。 ／一一＼ 一、 、 一 ／一 、 ， ， 、 | ⋯常体 图 1 测量 曲线比较示意图 在井下水文物探技术手段中 ， 矿 井音频 电透视法采用低频正 负 方波建 立定 向人工 电场 ， 没 有浅部盲 区， 且 能区分工作面顶 底板 内 几点建议 ①新建的变电所的电容器装置中串联电抗器的选择 必须慎 重， 不 能与 电容器任意组合 ， 更不 能不考虑 电容器 装置接八 处的谐波背景。②对于已经投入运行的电容器装置， 其串联电抗器 的选择是 否合理 需进一步计 算 ， 并组 织现场实测 ， 了解 电网谐波背 景的变化。③ 电能质量的综合治理是系统工程， 在并联电容器回路 中串联 电抗器仅是抑制谐波 的治标 之举， 要真正做到标本兼治 必须 遵循谁污染谁治理 、 多层治理 分级协调 的原 则。 5 结论 谐波滤波器的成本 是比较高 的， 因此谐波滤波器主要在工 业设 施中应用。 本文介绍的这 4种减小谐波 畸变率的 方法针对广大居民 和用户 ， 充 分体现 了其经济和实用的价值。 应用效果良好。 参考文献 [ 1 1 李群湛． 电气化铁道并联综 合补偿及其应 用[ M E 京 中国铁道 出版 社 ． 2 0 0 9 ． 【 2 ] P e n g F Z ， A k a g i H，Na b a e A， ” A n e w a p p r o a c h t o h a r m o n i c c o mp e n s a t i o n i n p o we r s y s t e ms -- a c o mb i n e d s y s t e m o f s h u n t pa s s i v e a n d s e r i e s a c t i v e f i l t e r ， ”I E E E T r a n s o n I n d A p p ， 2 0 0 7 ， 2 6 3 9 8 3 9 9 0 ． 【 3 ] 安鹏 ， 张 雷 ， 刘玉 田． 电气化铁道 对 电力系统安 全运行 的影 响及对 策 【 J ] ． 山东 电力技术， 2 0 0 5 ， 4 1 6 1 9 ． [ 4 】 陆秀令 ， 张松 华， 曹 才开 ， 等． 单相 电路谐波及无 功电流新型检测 方法 『 J ] ． 高 电压 技术 ， 2 0 0 7， 3 3 3 1 6 3 1 6 6 ． [ 5 】 蒋斌 ， 颜钢 锋 ， 赵 光宙． 单相 电路 瞬时谐波 及无功 电流实时检 测新 方 法『 J 1 ． 电力系统 自动化 ， 2 0 0 0， 6 3 5 3 9 ． 【 6 ] Ak a g i H ． N e w T r e n d s i n Ac t i v e F i l t e r s f o r P o w e r C o n d i t i o n i n g[ J 1 ． I E E E Tr a n s o nI n d Ap p ． [ 7 ] P e n g F Z ， K o h a t a M ， A k a g i H． C o m p e n s a t io n C h a r a c t e r i s t i e s o f S h u n t a n d S e r i e s A c t i v e F i l t e r s [ C ] ． I n 2 0 0 2 C h i n e s e - J a p a n e s e P o w e r E l e c t r o n i c s C o n f ， B e ij n g 2 0 0 2 ． [ 8 】 耿云玲 ， 王群． 单相 电路的一种谐波和无功 电流 实时检 测法【 J 1 ． 国防科 技大学学报 ， 2 0 0 0， 2 2 4 1 1 1 - 1 1 5 ． [ 9 】 戴玲兴 ， 张 义兵， 陈际达． 检 测单相 系统 谐波 电流和无 功 电流 的一种 新方法f J 】 ． 电工技术学报 ， 2 0 0 4， 1 9 2 9 5 9 7 ． 【 1 0 ] o p t i mi z a t i o n o f E l e c t r i c E n e r g y C o n s u m p t i o n i n Ma r g i n a l C a l i f o r n i a Oi l fie l d s ，EPRI ， P a l o Al t o ， CA， Ca l i f o r n i a En e r g y Co mmi s s i o n，S a c r a me n t o ， CA， 2 0 0 9 ． Va l u e E n g i n e e r i n g 3 3 的异常 ， 同时使用对应频率接收 ， 排 除了其他 频率 电信号 干扰 ， 受巷 道表面金属导体 的影 响小。在相似 地质 条件下 ， 处理 计算得到 的物 理参数 能够进行 对比分析 ， 可以进一步分析 水文地质条件。 2 三层 地质模型仿真 根据麦克斯 韦电磁理论 ， 电磁波在均 匀分布 的损耗介质 中有 以 下传播常数 k 【 1 、 ／ c i 13 r ／厂 T ＼1 l ， 2 0 【 ∞ 【 ＼ ／ J r f厂r＼] 1 ， 2 【 V 一 J 其中 k为传播常数 ， 实部 0 【 为相位常数 r a d ／ m ， 虚部 B为吸收 常数 N p ／ m 。传播常数是表征 电磁波传 播特性的重要参数 ， 仅决定 波 的传 播速度 ， B决定 电磁波 的衰减速 度 ； o 【 ， ￡ ， 分别 为 电导率 、 介 电常数和磁 导率 是表征介质 电性特征 的参数。ta t 为 电磁波 的角频 率 ， 可由实际工作频 率得到。 假设有图 2所示三层均匀分布 的损耗介质 A ， B ， C ， 电磁波在厚 度为 2 h ， 传 播常数为 叮 ， B 的煤层 B中传播。 _ 耢 一 薯 一 。． ll ． 。 曩 ， 煤j B c ； l ，D 1 ． J 【 1I 澎 芸c ‘ 6 I _J 图 2 煤系地层三层模型 煤系地质 中一般 没有铁磁性物质 ， 这 三层 介质 中的磁导率 可 以视 为真空磁导 率 D o此B ,-j --层介质 中的传 播常数可表示 为 k ∞ 、 ／ 吾 _ k w ∞ 、 ／ _ 式中 ￡ 一、 ￡ w m为复介 电常数 ￡ 。 s T广 - 盯 ／ I ￡ 8 - 0 在煤层 B中传 播的最低次模式沿 X轴 方向的的横磁波 水平磁场分量 H 满足亥姆赫兹方程 H k 2 H 0 ， I z I h E ． 1_ △ e - il S x 。 u z l 【 08Ⅷox I ￡ 在f z l h处， 由 E 、 E 、 H 的连续条件可得 H o c o s k m C h A e 讪 一 Oq H o s i n k ， C h e ‘ 1 ￡ 根据上式可得到求解 C的方程 i k m C t a n i k ,． Ch i u e J￡ O 根据参考文献[ 4 ] 所 用的牛顿迭代法 ， 求得 当把模 型视 为煤层 B 电导率 ￡ 远小于岩层 A、 C电导率 8 时， 可求得该模型下 的大致传 播常数 i k ．5 兰 ik m 、 ／ l _ c ik m 仅 R e k ． 5 m _二 I 2 h O t 13 3 - II ll k m S p m 峰 2 h 0 【 13 上式 中 仅 p 是 岩层 A、 C中的传播常数 ， d m 、 p 是煤层 B中的 传播常数。 根 据以上公式 ，用 MA T L A B仿真计算 出电磁波频 率的变化对 传 播常数的影响。 它 的 。 H z I 图 7 00 传 播喜 数 与 率 的 系 曲 三 在岩层 A、 C中同样 满足以下方程 H k H o ， l z l h时， H 也满足亥姆赫兹方程， 同时要求H 沿 z方向衰 减 ， 设H A e 一 ， 式 中u 、 ／ k 一 k s ， 且I m u 0 。 A 为 未 知 常 数 ， I m 为虚部。E 、 E 就可 由麦克斯韦方程求得 E L 。 仿真 条件 为 ， 电磁 波频 率 0 一 l k H z ， 磁导 率 为真 空磁导 率 4 竹 1 0 - T H ／ m， 煤层 的电导率为 0 ． 0 0 1 s ／ m， 围岩的 电导率 为 0 ． 1 s ／ m， 煤层 的 相 对介 电常数为 4 ，围岩 的相 对介 电常数为 8 ，真 空中介 电常数 为 8 ． 8 5 4 1 9 x 1 0 1 F ／ m， 煤层厚度 为 3 m， 由图 3可以看出 电磁波的相位移 率与衰减率都随着 电磁波频率 的增大而增大， 与实际工作经验相符。 3 结束语 煤矿安全生产就是最 好的经济效益， 物探技术 的应用 为煤炭事 业的发展提供安全技术支撑 ， 促进煤炭事业 的健康发展 。音频 电透 仪是煤矿井下采掘工作面顶底板含 水构造探测唯一可行的仪器 ， 对 煤矿采 掘安全具有 重要意义 ， 为保障煤矿工人 的生命 安全 、 煤矿 财 产安全提供必要的探测手段 ， 随着煤矿 生产安 全意识的提高这一物 探 方法就 必将得到广泛使用。通过对音频 电磁波传播特性的研究 ， 找 出传播常数与频率、煤层及围岩的 电导率及介 电常数 的关 系， 从 而选择 出最适合音频 电透仪的工作频率 ， 在保 证本质安全输 出的前 提下提高其探测数据的准确性、 降低 干扰 、 增加工作时间、 提 高分辨 率 ， 同时可布 监测站点监 测工作面 的地质情 况 ， 为矿 井安全生产 提 供科学技术保障。 参考文献 【 l 】 曾方禄 ， 王永 胜 ， 张小鹤 等． 矿井音频 电透视及其应 用【 J ] ． 煤 田地质 与 勘探 ， 1 9 9 7 0 6 ． 【 2 】 张根良． 音频 电透视法在煤矿防治水 中的应用[ J ] ． 河北煤炭 ， 2 0 0 7 O 2 ． [ 3 V 天放， 志聃．地球物理勘探【 M 】 ■ t 京 煤炭工业出版社， 1 9 9 3 ． 【 4 ] 于业斌 ， 岳 建华 ， 邓 帅奇． 高阻层状煤 质中 电磁波传 播特性研究【 J 】 ． 工 程地球物理学报 ， 2 0 1 1 0 4 ．