新型直流电法仪在超前探测中的应用.pdf

第3 2 卷第3 期 西安科技大 学 学报 2 0 1 2年 0 5月 J O UR N AL O F XI ’ A N UN I V ER S I T Y O F S C I E NC E A ND T E C HNO L OG Y V0 1 ． 3 2 No ． 3 Ma v ． 2 0 1 2 文章编号 1 6 7 2 9 3 1 5 2 0 1 2 0 30 3 9 8 0 5 新型直流电法仪在超前探测 中的应用 张典荣 中国煤炭科工集团 西安研究院， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘要 介 绍了新 型直流电法仪 的组成及 工作原理 、 主要特 点、 用途和适 应性 ； 并论述 了超前探 测技 术原理及施 工方法， 同时给 出了直流电法仪在煤矿井下的超前探测应用实例； 实践表明， 新仪器设计合理、 测量精度高、 使用 方便 ， 能完全满足 煤矿 井下进行超前探 测的需要。 关键词 新 型直流电法仪 ；超前探测 ；应用 中图分类号 T D 1 6 6 文献标 志码 A 近年来 ， 随着煤矿生产现代化程度 的提高 ， 开采深度越来越大 ， 开采条件更加复杂 ， 水害对煤矿安全 的威胁日益增加。因此研究新的对矿井含水、 导水构造的探测设备和方法十分重要。各种新的勘探仪 器 、 施工方法和资料处理相继被开发出来 ， 但在 目前条件下 ， 矿井直流电法仍是最主要 的井下勘探手段之 一 ，介绍一种新型矿井直流电法仪， 它主要应用于煤矿井下探测含水、 导水地质构造， 尤其对煤矿井下含 水构造的超前探测效果显著 ， 它的使用为煤矿井下安全生产提供 了保障 。 1 新型直流 电法仪的组成及 工作原 理 新型直流电法仪是井下电法勘探仪器， 仪器由电池组、 逆变升压、 整流滤波、 极性变换、 单片机控制、 A ／ D转换、 显示、 存储、 通讯等电路组成。 直流电法仪原理框图如图 1 所示 。电池组输出的直流电压经隔离升压 电路产生 1 0 0 V的高压 ， 再经 限流电路 、 电流取样电路发射输 出， 即通过 A、 B电极供人大地 ， 建立全空间稳定的人工 电场 ； 同时感应 电 压信号通过 M、 N电极进入前置放大与阻抗变换电路 ， 经 A ／ D转换器转换成数字信号后送入微控制器 ， 测 量电压和供电电流经过计算存入 s D卡。显示器用来显示输入参数和测量数据， S D卡用于测量参数和测 量数据的储存， S D卡中的数据通过 U S B串行通讯口 传送到P c机中， 在 P c机中完成数据的转换和成果图 的绘制 ] 。 电 池 组 隔离升压电路 H限流电表 H电流取样电路 高压控制 蕉 堡 皇堕 卜 卜 - J I 銮 I L ‘测量供电电流 S T M3 2微控制器 发射输出 1r - 一 ．．．．．．．．．．．．I ． ． ． ． 一 隔离驱 动 测量 电压 皇 婆皇 堕H 整垫鲎 I I 垦重量l L 堡 篓 垄 I 塑适迅皇 ● T L厂 丽丽 矗 人 L J 一 图 1 新型直流电法仪原理框图 F i g ． I S c h e ma t d i a g r a m o f t h e n e w DC e l e c t r i c i n s t r u me n t 2 新型仪器 的主要设计特点 B S D 卡 厂 收稿 日期 2 0 1 2 0 50 6 通讯作者 张典荣 1 9 6 2 一 ， 男， 陕西三原人， 高级工程师， 主要从事地球物理勘探仪器及勘探方法的研究 第 3期 张典荣 新型直流电法仪在超前探测中的应用 3 9 9 2 ． 1 安全设计 矿用直流电法仪是为煤矿井下含有瓦斯、 煤尘、 粉尘等爆炸性危险环境 中探测含水和导水地质构造 而设计制造的勘探仪器。因此， 首先要防爆， 仪器采用本质安全型防爆类型， 并采用快速过流保护技术， 使仪器既达到本质安全型要求， 又能输出较大功率。 2 ． 2 控制系统 控制系统采用 3 2位微处理器 ， 性能高 ， 速度快 ， 功耗低 ， 提高 了系统整体性能。 2 ． 3采集数据 仪器采用先进的高精度、 低噪声2 4位 A ／ D转换器， 它使用和差转换技术以实现高达 2 4位的无误码 性能 ， 加人信号调理电路具有可编程增益和数字滤波器， 采集信号动态范围大， 分辨率高， 从而保证了测 量精度。 2 ． 4抗干扰设计 1 在测量期间 MN极上的极化电位 、 大地电流及其它低频干扰 、 仪器本身的零点漂移等的消除 ， 采用 了正负方波供 电， 多次采样并进行数字迭加技术 ， 有效的消除了上述干扰。 2 5 O H z 频率干扰的消除， 由于2 4 位 A ／ D自带可编程低通滤波器， 采用软件编程进行消除。 3 随机干扰的消除， 采用多次供电和接收， 然后去除极值再求平均值方法处理， 进一步提高抗干扰能 力 。 3仪器的用途 矿井直流电法是 以煤 、 岩石的电性差异 为基础 ， 在全空间条件下建场 ， 使用全空间电场理论 ， 处理和 解释有关矿井水文、 地质构造问题 ] 。主要用途如下 1 探测巷道顶板、 底板及侧邦的含水和导水地质构造 断层、 破碎带、 陷落柱等 。 2 探测巷道顶板 、 底板隔水层厚度 、 导升高度及分布范围。 3 超前探测掘进头前方含水构造。 4系统的适应性 新型直流电法仪适用于煤矿井下含有瓦斯、 煤尘、 粉尘等爆炸性危险环境中探测含水和导水地质构 造。通过在各地煤矿井下的大量实验 ， 分别在不 同巷道条件 煤巷、 岩巷 及不 同底板接地条件 底板积 水、 煤泥、 浮渣等 试验， 及井下巷道安装的铁轨、 金属支架等导电物体的影响实验 一 ， 还有巷道内电器 设备 掘进机、 过 电车、 采煤机械等 的干扰试验 ， 可以得出如下结论 1 仪器适用于煤矿井下复杂环境 ， 用仪器在井下进行各种方法探测时， 探测含水异常准确。 2 井下探测场所 ， 在顺层煤巷中的应用效果最好 ， 探测距离最大 ， 岩巷次之 。 3 本探测仪器受巷道底板的接地条件如底板积水、 煤泥、 浮渣等影响较小， 在施工时如能进行必要的 处理， 可提高探测距离和精度。 4 井下安装的铁轨、 金属支架等导电物体会对测量结果产生一定影响， 施工时应尽量远离， 以减少对 探测结果的影响。 5 仪器井下作业时 ， 附近 的掘进机 、 电车等电动作业 ， 会对探测数据产生较小影响 。物探时应尽量避 免 电动设备工作 ， 消除人为电磁干扰 。 5 超前探测技术原理及施工方法 5 ． 1 超前探测技术原理 超前探测是研究掘进头前方地层 电性变化规律 ， 预测掘进头前方含 、 导水构造 的分布 和发育情况的 一 种井下电法探测新技术。 根据点电源场的理论， 点电源在均匀全空间其电力线呈射线发散， 等电位面呈以供电点为球心的球 4 0 0 西安科技大学学报 2 0 1 2生 面， 电位差则是以供电点为球心的同心球壳， 球壳厚度应为测量电极间距。三点源法超前探测技术在堵 头后方同时布设 3个供电点 ， 利用在巷道后方不同供电电源所产生 的电位差 ， 经过视 电阻率计算 ， 得 出不 同极距的视电阻率异常 ， 经过各种处理 ， 消除巷道影响、 后方异常影 响、 侧方异常影响， 再通过空间交汇 ， 可以准确对前方异常进行定位 。 5 ． 2 施工方法 超前探测采用点电源三极装置进行井下数据采集工作 ， 超前探测井下施工装置示意图如图2 所示。 超前探测井下施工， 无穷远电极固定在距离 蔺 掘进头 3～ 5 倍的勘探距离外 ， 在巷道掘进头附 vB 堕 vM vN Av 3 Av 2 近以一定间距布置供电电极 A ， A ， A， ， 测量 电极 MN 内 头所示 的方 以一 的间隔移№ ．2 s i ⋯ 动， 每移动一次测量电极 ， 测量一次 A ， n A ， A AMN ， 。 。 所对应的视电阻率值。依次移动 M N电极直到测量完所有测点。 6 应用实例 实例 1 直流 电法仪在河南某矿进行超前探测 ， 施工装置为 供电电极 A ， A ， A ，间距为 4 m， A 距迎 头 6 m， 接收电极 M， N间距为 4 m； 图 3中 a 为超前探测剖面图， b 为施工揭露验证 图。 1 3 0 0 异 常 4 2 O 迎 I l I I I I I l I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I． ．．． ii I I I I 。 。 。 4 。 出水 方， 。 ㈣ 图 3 矿 回风巷超前探测结果 F i g ． 3 Ad v a n c e d d e t e c t i o n r e s u l t s o f r e t u r n a i r wa y i n c o a l mi n e 1 2 0 0 异常 1 0 1 5 2 O 2 5 a 】 3 O 3 5 4 0 F 3 4大断层 H 2 0 m 图 4邢 台 矿超 前 探 测 结 果 F i g ． 4 Ad v a n c e d d e t e c t i o n r e s u l t s o f Xi n g t a i c o a l mi n e 探测结果 根据超前探测剖面图分析， 掘进头前方探测区段内存在 1 处视电阻率低阻异常， 低阻异常 区段位于掘进头前方 5 1 5 3 m附近 ， 低阻异常的幅度较大， 富水性较强 ， 结合矿井地质条件 ， 推断为裂隙 水较大所致 ， 建议打钻探水后再掘进 ， 并加强水文地质观测 ， 确保矿井生产安全。 揭露验证情况 打钻进行到约 5 2 m时， 出水 1 4 0 1 1 1 。 ／ h ， 及时注入大量水泥沙子堵水 ， 防止了突水事故 的发 生 。 实例 2 直流电法仪在河北邢 台矿进行超前探测 ， 施工装置为 供电电极 A ， A ， A 间距为 4 m， A 距 第 3期 张典荣 新型直流电法仪在超前探测中的应用 4 0 1 迎头约 4 I T I ， 接收电极 M， N间距为 4 i n ； 图4中 a 为超前探测剖面图， b 为施工揭露验证 图。 探测结果 根据超前探测剖面图分析 ， 迎头前方有一处低阻异常区域 ， 位于迎头前方 3 3～ 3 5 IT I 处 ， 低 阻异常值较小 ， 结合该矿地质资料及已揭露 的地质构造分析认为 ， 迎头前方 3 4 I n处的异常区异常相对较 大 ， 推断该异常处应为大断层。 揭露验证结果 当掘进到迎头前方 3 3 In处为落差 2 0 In的 F 3 4大断层。 7 结论 1 新型直流电法仪采用先进的 3 2位微处理器 ， 性能优 良的新器件 ， 提高了仪器的抗干扰能力和测量 精度 。 2 试验证明该仪器设计合理 ， 性能稳定 ， 使用方便 ， 是探测含水 、 导水构造的理想工具。 3 使用直流电法仪进行超前探测， 对掘进头前方出现的含水断层、 裂隙带、 渗滴水、 老窑积水等异常 均能探测出来 ， 探测结果对煤矿井下安全掘进具有重要意义 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] 张典荣． 巷道水文超前探测技术试验研究[ J ] ． 西安科技大学学报， 2 0 1 1 ， 3 1 5 5 2 5 5 2 9 ． Z H A N G D i a n - 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w e n ．D a t a p r o c e s s i n g i n a d v a n c e d t e c h n o l o gy w i t h d i r e c t c u r r e n t me t h o d [ C] ／ ／ S a f e t y a n d h i g h e ffic i e n t t e c h n o l o - g i e s a n d a p p l i c a t i o n s i n c o al mi n e g e o l o g i c al g u a r a n t e e ． Xi ’ a nXi ’ an R e s e arc h I n s t i t u t e，C h i n a C o a l T e c h n o l o gy a n d E n g i n e e r i n g Gr o u p Co r p， 20 0 7 37 73 8 3． [ 9 ] 李学军． 煤矿井下定点源梯度法超前探测试验研究[ J ] ． 煤田地质与勘探， 1 9 9 2 ， 2 0 4 5 9 6 2 ． L I X u e - j u n ．S t u d y a n d e x p e ri m e n t o n h e a d i n g d e t e c t i n g b y fi x e d e l e c t r i c s o u r c e g r a d i e n t me t h o d i n u n d e r gr o u n d [ J ] ．C o al G e o l o gy E x p l o r a t i o n ， 1 9 9 2 ， 2 0 4 5 9 6 2 [ 1 0 ]虎维岳， 田干． 我国煤矿水害类型及其防治对策[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 0 ， 3 8 1 9 2 9 6 ． H U We i ． y u e ． T I A N G a n ．M i n e w a t e r d i s a s t e r t y p e a n d p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l m e a s u r e s i n C h i n a [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 9 2 9 6 ． 4 0 2 西安科技大学学报 2 0 1 2血 The a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e d d e t e c t i o n b y t he n e w e l e c t r i c a l m e t h o d i n s t r u m e n t ZHANG Di a n r o n g x i ’ a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p ， ’ a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a n e w t y p e o f DC e l e c t r i c i n s t r u me n t whi c h i n c l ud i n g t he c o mp o s i t i o n a n d w o r k i n g p ri n c i p l e ，t h e ma i n f e a t u r e s ，u s i n g d a p t a b i l i t y ，a n d d i s c u s s e s t h e p ri n c i p l e a n d t h e me t h o d i n a d v a n c i ng p r o b i n g t e c h n o l o g y，t he p a p e r a l s o g i v e s t h e a p p l i c a t i o n e x a mp l e s wi t h e l e c t r i c a l p r o s p e c rin g i ns t r ume nt u nd e r g r o u nd i n c o al mi ne ． T h e p r a c t i c e s d e s i g n e d ， h a s h i g h p r e c i s i o n， i s c o n v e n i e nt l y u s e d，c a n n e e d s i n u n d e r g r o un d c o al mi n e s p r o v e d t h a t t h e ne w i n c l i n o me t e r i s r e a s o n a b l y me e t t h e r e q ui r e me n t f o r a d v a n c e d d e t e c t i o n Ke y wo r ds n e w DC e l e c t ric i n s t ru me n t ；a d v a n c e d d e t e c t i o n；a p p l i c a t i o n } Co r r e s p o n di n g a ut h o rZ HANG Di a n r o n g ， S e n i o r En g i n e e r ， Xi ’ a n 71 0 0 7 7， P． R． Ch i n a， T e l 0 0 8 6 1 3 6 7 9 2 6 8 8 8 6， E ma i l x i a n z h d r t o m． 上接第 3 9 7页 A me t h o d o f m e c h a n i c a l d e f e c t u l t r a s o n i c s i g n a l e x t r a c t i o n ba s e d o n I CA Q I A i ． 1 i n g ， B A I H u a n ． 1 i ， MA Ho n g ． w e i 2 , Z HA N G X i a o ． y a n 1 ． C o l l g e o fC o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i nee ri n g ， X i ’ a n U n i v e r s i t y o fS c ie nce a nd T e c h nol g o y ， ’ a n 7 1 0 0 5 4 ， Chi n a； 2 ． C o U g e ofMe c h a n ic a l a nd E n g i nce r i n g， X i ’ a n U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h nol g o y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 4， C h i na Ab s t r a c t A me t h o d ba s e d o n I n de p e n d e n t Co mpo ne n t An a l y s i s t o d e n o i s e t h e u l t r a s o n i c s i g n a l s i s pr e s e n t e d t o o v e r c o me t h e d i s a d v a nt a g e o f u l t r a s o n i c t e s t i n g s i g nals b y t h e ba c k g r o u nd n o i s e s ．Fi r s t l y，t h e o b s e r v e d s i gn als a r e d e c o mI t h a t t h e y a r e alwa y s s t r o n g l y a ffe c t e d p o s e d o f s e v e r al i n d e p e n de n t c o mp o n e n t s b y J ADE，t h e n，s e t t h e n o i s e c o mp o n e n t t o b e z e r o a c c o r d i n g t o Hu r s t e x p o n e n t ．F i n all y ，t h e d e n o i s e d s i g n als a r e fi g u r e d o u t u s i n g t h e d e c o mp o s e ma t ri x ．T h e s t u d y o n t h e f l a w u l t r a s o n i c s i gn a l s d e n o i s i n g o f t h e s i mu l a t i o n a n d e x p e ri me n t s h o ws t h a t t h e d e - n o i s i n g me t h o d b a s e d o n I C A c a n g e t h i g h e r s i gn al t o n o i s e r a t i o c o mp a r e d wi t h wa v e l e t d e - n o i s i n g me t h o d．An d I CA i s b e n e fic i M t o d e - n o i s e p r o - c e s s i ng a nd e x tra c t i o n o f c h a r a c t e ris t i c s i g n a l s for s t r o n g b a c k g r o u n d n o i s e ． Ke y wor dsi n d e p e n d e n t c o mp o n e n t a n a l y s i s ；ul t r a s o ni c s i g n a l ；fla w e x t r a c t i o n C o r r e s p o n d i n g a u t h o r Q I Ai l i n g ， As s o c i a t e P r o f e s s o r ， Xi ’ a n 7 1 0 0 5 4， P ． R． C h i n a ， T e l 0 0 8 61 3 1 0 9 5 2 0 6 8 5， E - m a i l q e mai l 1 2 6 ． e o m