直流电法布极方式对巷道超前探测精度研究.pdf

2 0 1 3年第 1 1 期 煤炭工程 do i 1 0． 1 1 7 9 9 ／c e 2 01 31 1 031 直流 电法布极 方式对巷道 超前探测精度研 究 越 ，王 月 ，李德军 ，赵卓云 ，陈 尉 ，孙鹏程 1 ． 河 I L T． 程大学，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ； 山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 蒲县0 4 1 2 0 4 摘要 通过直流电法电极布置几何分析 ，提 出了发射电极与测量电极极距 关系公式。对于 可能存在地质异常的重点 区域可同时调整二者极距 ，通过增加探测密度 的方式提 高探测精度。经 研究发现电极随布置数量的增加 ，其探测精度随之提 高。通过单倍与多倍极距对 比实验，得 出可 通过调整极距提 高探 测精度 ，解决了直流电法在测量精度不高、定位不准等方面的难题 ，提高了 煤矿生产安全。 关键词 直流电法；布极方式 ；巷道超前探测 ；测量精度 中图分类号 T D1 7 8 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 l 1 - 0 0 9 3 -03 St udy o n Adv a n c e De t e c tio n Ac c u r a c y o f M i ne Ro a dwa y wi t h El e c t r o de Di s t r i but i o n M o d e o f DC El e c t r i c a l M e t ho d P A N Y u e ，WA N G Y u e ，L I D e j u n ，Z HA O Z h u o y u n ，C H E N We i ，S U N P e n g c h e n g ’ 1 ． He b e i Un i v e r s i t y o f 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 ； 2 ． P u x i a n B a o z i g o u C o a l I n d u s t r y C o mp a n y L i mi t e d，S h a n x i C o a l I mp o r t a n d E x p o r t G r o u p ，P u x i a n 0 4 1 2 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e g e o me t r i c a n a l y s i s o n t h e e l e c t r o d e l a y o u t o f t h e DC e l e c t ri c me t h o d，t h e p a p e r p r o v i d e d a f o r mu l a of t h e e l e c t r o d e d i s t a n c e b e t we e n t h e e mi t t i n g e l e c t r o d e a n d t h e me a s u ri n g e l e c t r o d e ． I n t h e k e y a r e a p o s s i b l y wi t h a b n o r ma l g e o l o g y ，a d i s t a n c e b e t w e e n t w o e l e c t r o d e s c o u l d b e a d j u s t e d s i m u l t a n e o u s l y ．T h e d e t e c t i o n a c c u r a c y c o u l d b e i m p r o v e d w i t h a me t h o d t o i’ n c r e a s e t h e d i c t i o n d e n s i t y ． Th e s t u d y c o n d u c t e d s h o we d t h a t w i t h t h e l a y o u t n u mb e r i n c r e a s e d， t h e d e t e c t i o n a c c u r a c y o f t h e e l e c t r o d e w o u l d b e i m p r o v e d ．I n c o m p a r i s o n w i t h t h e s i n e t i m e d i s t a n c e a n d mu l t i t i m e s d i s t a n c e of t h e e l e c t r o d e s ，t h e d e t e c t i o n a c c u r a c y i mp r o v e d w i t h t h e a d j u s t me n t o f t h e e l e c t r o d e d i s t a n c e c o u l d s o l v e t h e p o o r me a s u rin g a c c u r a c y ， p o o r p o s i t i o n i n g a n d o t h e r d i f fi c u l t p r o b l e ms o f t h e DC e l e c t r i c me t h o d a n d c o u l d i mp r o v e t h e mi n e p r o d u c t i o n s a f e t y ． Ke y wo r d s D C e l e c t ri c me t h o d； e l e c t r o d e d i s t r i b u t i o n mo d e ； a d v a n c e d e t e c t i o n o f mi n e r o a d w a y； a c c u r a c y of m eat l r e m ent 我国针对煤矿安全生产的要求，提出 “ 物探先行 ，钻 探验证”的科学理念。物探技术在煤矿水害探防上应用广 泛。直流电法巷道超前探测技术因其操作简单，成熟度高， 探测距离远 等优点被广泛采用三河尖煤矿采用三 极 电测深法对运输 巷及 采空 区进 行勘 探 ；庙 庄煤矿 采用 三点三极直流电测法进行巷道超前探测 ；晋城凤凰山矿 采用三点三级法预测掘进前方富含水岩层区域 等。但是， 由于直流 电法往往存在探测精度不高、定位不准等问题， 造成打空钻或长打钻的现象层出不穷 ，降低了煤矿生产效 率。本文通过改变电极布置方式，有效地解决了上述问题。 l 直流电法工作原理 直流电法是基于岩石、水体等电阻率差异的特点，利 用点电源在空间的电场分布为等势球体这一特性 ，实现超 前探测的目的。首先在巷道迎头前方依次布设发射极 Al、 A 2、A 3以及测量电极 M、N和无穷远电极 B 。分别给发射 电极 A 1、A 2、A 3通 电 ，测 量电极 MN j i 1 ，2，3 ，⋯， n 处分别收集一组数据，经数据处理转化为电阻率，进而 判断异常体。由于无穷远电极 B的布置距离远，发射极可 近似为点电源，在空间中产生等势体 ，因此后方测量电极 收集到的数据可以反映巷道迎头前方的情况 ，从而实现超 前探 测的 目的。直流电法工作原理如图 1所示 2 电极布置方式几何分析 假设巷道前方存在球形异常体，以发射电极 A 3为中心 产生的等势线两侧边缘分别通过测量电极 MN x的中心及异 收稿 日期2 0 1 3 0 61 4 作者简介潘越 1 9 7 2一 ，男，黑龙江双鸭山人，博士后，副教授，主要从事故障诊断教学、科研工作。 9 3 煤炭工程 2 0 1 3年 第 1 1期 顶板 图 1直流 电法工作原理 常体中心位置，发射电极 A 3距异常体中心距为 ，测量电 极 MN x中心距迎头 ， | ，相邻两个发射电极极距 ，发射 电极 A l 距迎 头 f ，电极距关 系如图 2所示 。 ． I 鲑 篚 N j N j N ．。 ， 。 建 I I X I 图 2电极距关 系图 发射电极 A 3发射 电 流 。测量 电极 MN x处测 到 的反 映 异 常体 位置的 电位差 即 M、N两点 处 的电视差 ，根据球 对称原理其 电极距关 系式 为 l 3 1 M № 一 2 l 0Z 同理，发射电极 A 2发射电流 ，其电极距关系等式为 Z 2 l 0l M № 2 l 01 一l 0 1 f № 2 l o一 1 0Z 发射 电极 A1 处 ，关系式 I l 一2 l 0Z № 一 2 Z 01 一2 l 0Z 一4 1 0一l 若发射电极 A1 与 A 2分别产生的等势线相交阴影恰巧 覆盖异常体位置，如图2所示，其中实线为发射电极 A 1产 生的等势线，点划线为发射电极 A 2产生的等视线。则有 1 1 l A 2 1 0 。与 f 之间相差一个发射电极距 l 。 ，根据几何公式则 发射电极距离测量电极中心相差两个发射极距 2 f n 。因此 ， 实现等势线叠加覆盖异常体位置 ，则测量极距与发射极距 之间关系有 Z M M k l 0 I M N x 为测量电极 MN间距 ； 为整数 。 同理，若增加发射电极数 A 1 、A 2与 A 3产生的等势球 体叠加处共同覆盖异常体位置，上述公式通用。 当 92时，等势球体叠加区域如图 3所示，该区域覆 盖范同广包括巷道顶底板区域以及巷道空区，必然造成探 测异常体位置不准确 ，甚至打空钻现象的发生。 当 l时 ，l M z 0 。 即发射极距 与测 量极 距应保持一致 。其探测 区域 如图 4 所示，该区域探测范围位于迎头前方，叠加区域小且有效 覆盖异常体 理论上推导发射极距与测量极距保持一致时，可提高 探测精度，使得异常体定位准确。 9 4 图 3 发射极 Al 、A 2相交区域 图 4发射 极 A 1 、A 2 、A 3叠加 区域 直流 电法 电极布 置距离 发射极 极距 范 围一般 控 制在 2 1 0 m 圳 ；发射极 A 1 距 离迎 头范围控制在 1 0～ 2 0 m， 目 的为了去除探测 “ 盲区” ；发射极与测量极间距范围控制在 21 0 m；测量极间距范 围控制 在 2～8 m，这 是 因为干 扰信 号的大小与测量距成正比，为保证干扰小。 3电极数量对探测精度的影响 三点三极直 流电法探测角度如 图 5所示 ，图 5中点 0 ， 为发射 电极 A 2 、A 3产生等势线相交点，位于巷道上方。 等视线相交区间为发射电极 A 2 、A 3共同探测前方异常体 区域 。点 0 为发射极 A 1 、A 2产生 等势线 交点 。点 O， ， 为 发射电极 A 1 、A 3产生等势线交点。从探测区间区域分析， 点 0 及其关于巷道底板中心线的对称点组成的区域，是 其他各点构成区域的共 同区间。线 A 0 与巷道底板 中心 线夹角为6 0 。 ，即其前方探测共同区间为顶角 1 2 0 。 的锥体 范 围。 7电极超前探 测法 ’ 的区间如 图 6所示 ，点 0 与底 板中心线夹角为4 8 。 ，顶角 9 6 。 的锥体区域。 通过上述两种电极数量对比可见 ，7电极探测法其夹角 比三点j极法小 1 2 。 ，这大大缩减了探测范围，提高了探测 精度。按照增设发射电极的方法，在提高有效探测区间上 有 着极 大的应用前 景 ，但 是无 限制 的增设 电极 也增 加 了劳 动强度和数据解释的劳动量，降低探测的效率。电极数量