直流电法超前探测沙槽模拟实验.pdf

第 2 8卷 第 2 期 2 0 1 4年 4月 簿 争 M I NERAL RES URCES AND GEOl OGY V0 I _ 2 8 ， NO ． 2 Apr ．2 01 4 直流 电法超 前探测沙槽模 拟实验① 王夏杰 ， 李杰 ， 刘 晓明 ， 刘俊辰 1 ． 桂林理3 - ． 大学 ， 广瑗 桂林5 4 1 0 0 1 ； 2 ． 安徽工业职业技术学院 。 安徽 铜 陵2 4 4 0 0 0 摘要 直流电法超 前探 测是 研究掘进工作面前方地层 电性 变化规 律 ， 预 测掘进 面前方舍 、 导 水构造 的 分布 和发 育情况的一种井下 电法探测新技术 。本次超 前探 测 实验是 通过在 沙坑 中埋设 已知 的低 阻体 ， 在模 拟巷 道 中布置 电极的方式 ， 采用网络并行 电法勘测 系统将前 方 已知的物体探 测 出采。因 为资料采 集不受外界 电流和其他环境的影响 ， 探 测结果较为理想 ， 可 以较 为清楚的反应 前方 的异常体 ， 验证 其 电 法超 前 探 测 的 可行 性 。 关 键 词 直 流 电 法 ； 超 前探 测 ； 沙槽 实验 中圈分类 号 T D 1 5 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 6 3 2 0 1 4 0 2 0 2 4 9 一O 4 在 煤矿 生产 及 建 设 中 ， 特 别 是 巷道 掘 进 过 程 中 ， 由于隔水层较薄或导 、 含水构造 ， 常引起煤 矿突水事 件 ， 严重影响煤矿安全生产 。若能提前探查清楚掘进 头前方 的水 文地 质 异常情 况 ， 从而 采取 相应 的疏 水降 压 措施 ， 就 能有效 预 防 突水 事 故 的发生 。本 次实 验是 通 过沙 槽 中模拟 实 验 验证 网络 并 行 直 流 电法 超 前 探 测 的准 确性 ， 从 而 为指导煤 矿 预 防突水 透水 事故 提供 技 术 支持 。 1 直流电法超前探 测的基本 原理 直 流 电法超 前探 测是 基 于点 电源 的球壳 理论 ， 采 用的是 由安徽理 工 大 学 和江 苏 东 华 测 试技 术有 限公 司基 于高 密度 电阻 率法 研 制 的 网络 并 行 电 法勘 探 监 测 系统 【 1 ] ， 可 以达 到 一次 布极 即可进 行 多装置 多极 距 数据采集 ， 通过求取视电阻率值来突出异常信息的特 点 ， 这 种技 术应 用 于煤 矿 井 下 直 流 电法 超 前 探 测 ， 在 预测采掘工作面前方的构造地质条件和水 文地质条 件 中有较好 的应 用 效果 ， 此 次 网络 并行 电法 超前 探测 采 用 的是 AM 法 的装 置 布置方 式 。 1 ． 1 稳 定单点 电 源场超 前探 测基 本原 理 若 在 均匀 的 半 空 间介 质 中 ， 负 极 B 在 无 穷 远 处 而 A点供正电则 A点可视为在半空间体系中建立的 一 个稳定单点 电源电场 图 1 ， 其余 电极为测 量 电 极 ， 测 量 每点 电位 。 AM 法 即可作 传统 二极 装置 视 电阻率 反演 ， 又 可 进行 三极 视 电阻 率反演 ， 此处 直流 电法 超前 探测则 采 用后者 。可视 相 邻 测 量 电极 为传 统 电 极 的 MN 极 。 通过 A 点供 电后 分别 测定 相邻 两个测 量 电极 M 、 N U ． ， ＼ ／ ／ ＼ ＼ 一 ／ 极 图 1 稳定 半空间点 电场 电位 分布图 F ig ． 1 P o t e n t i a l ma p o f p o i n t e l e c t r i c a l fi e l d i n s t a b l e s e mi～ s p a c e ①收稿 日期 ； 2 0 1 3 1 20 1 作者简介 王夏杰 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山西运城人 ， 硕士研究生 ， 研究方向 成矿规律与成矿预测 。 2 49 的 电势差 并求 两者 数值 之差 ， 对应 的视 电阻 率公式 p 一 4 丌 d M N UM N ／ i d M N 测 量 电极 MN 距 离 ； UM N 测 量 电极 MN 电 势 差 。则 p 视 为 球 壳 理 论 中厚 度 为 d 球 壳 的介质 电阻率 图 2 。 探 测前 方异 常体 会 对 等 势 面产 生 影 响并 显示 在 视电阻率值 上， 通过视 电阻率达到对前方 异常 的判 定 。 图 2 点 电源 场 球 壳理 论 示意 图 张 平 松 ， 2 0 1 3 Fi g．2 Sc h e m a t i c d i a g r a m o f s phe r i c a l s he l l t he or y i n p oi nt s o ur c e f i e l d 1 ． 2 AM 法装 置布 置及 采样 方法 AM 法 是分 别将 供 电 电极 B 无 穷 远 负极 和参 考 电极 置 于无穷远 处 。 由于供 电 电极 A、 B两 点 距 离 为 无穷 远 ， 即可形 成 以 A 为 单点 供 电 的稳 定 点 电场 ． A、 M 、 N分 别作 为 供 电 电极 和测 量 电极 在 测 线 上 移 动 。在 网络 并行 电法仪 中 ， 每个 智能 电极 都可 以通过 网络 协议 和 A／ D转 换 器完成 供 电 电极 和测 量 电极 之 间的转 换 ， 并 通 过测量 电极 采集 自燃 场 、 一次场 、 二 次 场 电位 ， 以及 实 现 电 流数 据 的 自动 采 集[ 2 ] ， 其 供 电 时 问与 电位 之间 的关 系图见 图 3 。 ●自然场数据点 0 1 次场数据点 口l 7欠 场数据点 2 5 O 图 3供 电 时 间 与 测 量 电 位 之 间 关 系 图 [ 2 3 Fi g ．3 Rel a t i on s hi p ma p b et we e n p owe r on t i m e a nd me a s u r i ng po t e nt i a l 首 先 以 】 电极 作 为供 电极 A， 其 余 2 ～3 2 电 极作 为测量 电极 MN， 同 时采 集 数 据 ， 可 获 得 以 1 电极作 为 供 电极 A‘ 的 多极 距 三 极 装 置 视 电 阻 率数 据 ； 后 将 2 电极 作 为供 电 电极 A， 其 余 1 和 3 ～ 3 2 电极作 为 测 量 电极 M ， 测 得 视 电 阻 率 数 据 以此 类 推通 过 3 2个 电极 的分 别 供 电获 取 视 电 阻率 值 ， 从 而 提高 了对 视 电阻率 测 试 的准 确 度 。为 提 高 数 据 的 准 确性 ， 数 据选 取靠 近迎 头 方 向 的 3 ～ 4个 作 为 供 电 电 极 的测试 数 据 ， 和 对应 测量 电 极距 d 较 小 的数 据 进 行 视 电阻率换 算 。 2 沙槽超前探测模拟 实验 本 次超 前探 模 型实验 是 通 过 在 长 、 宽 为 8 m 5 ． 5 m 的沙槽中埋放低阻体 高 1 2 c m 圆柱体 来探究其 对 探测 信号 的影 响 ， 通过采 用 网络并 行 电法勘 探 监测 系统测量出模拟巷道前方视电阻率值， 从而反演出该 低阻体 的位置 ， 并验 证 其 是 否 与 真 实情 况 一 致 ， 实验 装置 的布 设见 图 4 。 南 槽 B N剖面 图 4模 拟 实 验 装 置 图 Fi g ．4 Se t t i n g dr a wi n g of s i mul a t i o n e xp e r i me nt 在模 拟 巷 道 内测线 上 排 列 3 2个 电极 ， 电极 距 为 2 c m， B 、 N两 极分 别放 置在 沙槽 距 南北 两 端 各 】 m 和 1 ． 8 m 处 作为 无穷 远极 ， 将仪 器 接 通 后进 行 调 试使 得 电位大 致符 合 图 1的分布 ， 将 异常体 埋 藏在模 拟 巷道 前 端 1 0 c m， 埋深 3 0 c m 处 ， 仪器 检测 后 进 行 数据 的 采 集 ， 后 又 分 别 将 低 阻 体 移 至 巷 道 迎 头 前 方 3 0 c m、 3 0 c m 偏东 2 0 c m、 1 O c m 偏 东 2 0 c m 进 行 测 量 得 到相 应 的电阻率 图 5 视 电 阻率 单 位 Q c m ， 图 5中 视 电阻率值 对应 的距 离 为 水平 投 影 距 离 。由 于 沙槽 是个 有 限的空 间 ， 中间部 分松 散边 部密 实使 得在 超前 探 实 验 中会有 边界效 应 的高 阻影 响影 响 ， 以及在 放 置 低 阻体 时对沙 槽本 身 的 扰 动都 对 探 测 结 果 有 一 定 影 响 ， 均造成 沙槽 介质 的不 均 匀 性 ， 从 而 在 其 视 电 阻 率 上显 示 出“ 近 低远 高” 的视 电阻率 值 。 C 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 3 [ 6 3 会 ，2 0 0 6 ． 曹煜 ．并行直流电法成像技 术研 究[ D] ．安徽理工大学 ．2 0 0 8 ． 张平松 ， 刘盛东 ，曹煜．坑道掘 进立体 电法超前 预报技术研 究 E J ] ．中国煤炭地质，2 0 0 9 ，2 1 2 5 0 5 3 ． 吴荣新 ， 刘盛东 ，张平松．双 巷并行 三维 电法探测煤 层工作 面 底板富水区[ J ] ．煤炭学报 ，2 0 1 0 ，3 5 3 4 5 4 - 4 5 7 ． 王橼 ，等．基于二极电阻率法的并 行电法 勘探技术[ J ] ．物探与 化探 ，2 0 0 8 ，3 2 1 4 4 - 4 8 ． 刘盛 东，吴荣新 ，张平松 ，等．三维并 行电法勘探技术与矿井水 害探查 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 9 ，3 4 7 9 2 7 9 3 2 ． [ 7 ] 王松 ， 严 家平 ，刘盛东 ，等．直流电法超 前探测 系统 与数据处理 [ J ] ．煤炭技术 ，2 0 1 0 ，2 9 4 1 3 1 - 1 3 4 ． E 8 ] 吴荣新 ， 刘盛东 ，周官群．高分 辨地 电阻 率法探测 煤矿地 质异 常体 I J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 7 ，3 5 7 3 3 3 4 ， 3 8 ． [ 9 ] 张平松 。 李 永盛 ， 胡雄武．巷道掘进直流 电阻率法超前探 测技术 应用 探讨[ J ] ．地下空问 与工程学报 ， 2 0 1 3 ， 9 i 1 3 5 1 4 0 ． [ 1 0 3 傅树增 ， 吴超 凡， 李云杭 ， 等．矿井直流 电法在永定矿 区水害防 治中的应用[ J ] ． 煤 ， 2 0 1 3 ， 2 2 3 1 6 - I 8 ． Adv a nc e de t e c t i o n b y d i r e c t c u r r e nt m e t ho d WANG Xi a j i e 。LI J i e ，LI U Xi a o mi n g ，L I U J u n c h e n 1 ．Gu i l i n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Gu i l i n，Gu a n g x i 5 4 0 0 0 1 ；2 ．An h u i I n d u s t r y Po l y t e c h n i c，T o n gl i n g，An h u i 2 4 4 0 0 0 Ab s t r a c t Adv a n c e de t e c t i on by d i r e c t c u r r e nt m e t ho d i s a n e w t e c hn ol og y o f d o wnho l e e l e c t r i c de t e c t i o n whi c h i s a p pl i c a bl e f or r e s e a r c h i ng o n v a r i a t i on r e g ul a r i t y of e l e c t r i c a l p r op e r t y o f f r o nt a l s t r a t u m o f d r i v i ng wo r k i n g f a c e a n d ma k i n g p r e d i c t i o n o n d i s t r i b u t i o n a n d d e v e l o p me n t o f f r o n t a l wa t e r b e a r i n g a n d t r a n s mi t r i ng s t r uc t ur e s o f d r i vi ng wo r ki n g f a c e ． Thi s a d v a nc e de t e c t i o n e xp e r i m e nt i s c o nd uc t e d i n t hi s wa y， f i r s t l y， t o i n b u i h k n o wn l o w r e s i s t a n c e o b j e c t i n s a n d p i t a n d t o p l a c e e l e c t r o d e s i n s i mu l a t e d r o a d wa y s ； s e c o n d l y ， t o d e t e c t k n o wn f r o n t a l o b j e c t s b y n e t wo r k p a r a l l e l e l e c t r i c a l p r o s p e c t i n g a n d d e t e c t i n g s y s t e m．Th e r e s u l t s a r e r e l a t i v e l y r e l i a bl e b e c a u s e t he d a t a a c q ui s i t i on i S i nv ul n e r a bl e t o o ut s i d e e l e c t r i c c ur r e nt a nd ot h e r e n v i r on me n t a n d f r o n t a l a n o ma l y o b j e c t s a r e r e f l e c t e d c l e a r l y ，t h u s i t i s v e r i f i e d t h a t t h e a d v a n c e d e t e c t i o n b y d i r e c t c ur r e n t me t h od i S f e a s i b l e ． Ke y W o r d s di r e c t c u r r e nt m e t ho d，a dv a n c e p r e di c t i on，s a nd t a nk s i mul a t i on e x pe r i m e n t 上接 第 2 4 8页 I n v e s t i g a t i o n o f c a u s e s o f l e a k a g e o f a c e r t a i n t r a i l i ng po nd a nd a n a l y s i s o n p o l l u t i o n c o nt r o l m e a s u r e s X1 Ao Xi a o y u ，Z HANG J i n g ’ ～，L1 He n g 。 ，l I ANG W e n s h o u 。 ， HUANG J i a n g _ b o 。 ，XU W e n x i n _ 。 。 。 。 ，S UN W e i 。 1 ．C hi n a No n f b r r o u s Me t a l Gu i l i nGe o l o g y a n d Mi n i n g Co mp a n 3 ，Gu i l i n，Gu a n g xi 5 4 1 0 0 4 2 ．Te c h n o l o g i c a l Re s e a r c h C e n t e r o f Gu a n g xi En v i r o n me n t Tr e a t me n t En gi n e e r i n g，Gu i l i n，Gu a n g xi 5 4 1 0 0 4； 3 ．Ke y L a b o r a t o r y o f En v i r o n me n t En g i n e e r i n g a n d Pr o t e c t i o n Ev a l u a t i o n，Gu i l i n，Gu a n g xi 5 4 1 0 0 4 Ab s t r a c t Ba s e d on un de r s t a n di n g of t he e ng i ne e r i ng ge ol o g i c a l c o nd i t i o ns o f a c e r t a i n t a i l i n g p o nd，t h i s a r t i c l e a na l yz e s t h e c a u s e s of l e a ka g e a nd e s t i m a t e s t he e f f e c t s of e x i s t i ng c o nt r o l me a s ur e s ． I t i s p r op o s e d t o a pp l y pe r m e a bl e r e a c t i v e b a r r i e r s PRBi n t r e a t me nt o f l e a ka g e o f t a i l i ng p on d，a n d i t m a y pr o v i d e a r e f e r e nc e f or l e a k a ge t r e a t m e nt of t a i l i ng po nd ． Ke y W o r ds t a i l i ng p on d，l e a ka ge，m e a s u r e 2 52