激励法超前探测技术电场约束效率的方差分析.pdf

第 1 3卷第6期 2 0 1 6年1 2月 华北科技学院学报 J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo l _1 3 No ． 6 De c ． 2 01 6 激励法超前探测技术 电场约束效 率的方差分析 张伟 杰 ， 胡兴 志 ， 于润祥 华北科 技学 院 机电工程学院 ， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘要 为 了研 究电流参数和位置参数 对电场约束效率影响的显著性， 从 而对确定超前探 测仪 器 最佳工作参数提出理论指导。首先， 阐述了 激励法超前探测的原理， 并定义了电场约束效率概念； 然后 ， 借助 MA T L A B工具 ， 对电流参数和位置参数分别取 不同值 时所得 电场约束效率数据进行 方 差分析 ； 方差分析结果显示， 两参数对 电场约束效率的影响均具有高度显著性。 关键词 超前探测； 激励 法； 约束效率； 方差分析 ； 显著性 中图分类号 T D 2 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 27 1 6 9 2 0 1 6 0 6 0 0 3 0 0 5 Va r i a nc e Ana l y s i s o f t h e El e c t r i c Fi e l d Co n s t r a i n t Effi c i e nc y o f t h e Adv a nc e d De t e c t i o n Te c hn o l o g y o f t he Ex c i t a t i o n M e t ho d Z H A N G We i - j i e ， H U X i n g - z h i ， Y U R u n x i a n g S c h o o z o fMe c h a n i c a z E le c t r i c a E n g i n e e r i n g ，N o rt h C h i n a I n s t i t u t e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Y a n j i a o ， 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o g i v e t h e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o r d e t e r mi n i n g t h e o p t i ma l wo r k i n g p a r a me t e r s o f t h e a d v a n c e d d e t e c t i o n i n s t r u me n t ，t h e s i g n i fi c a n c e o f t h e i n fl u e n c e o f t h e c u r r e n t p a r a me t e r s a n d t h e p o s i t i o n p a r a me t e r s o n t h e e l e c t r i c fi e l d c o n s t r a i n t e f fi c i e n c y i s r e s e a r c h e d ． F i r s t l y ，i t e l a b o r a t e s t h e i n c e n t i v e me t h o d i n a d v a n c e d d e t e c t i o n p rin c i p l e ，a n d d e fi n e s t h e fi e l d c o n fi n e me n t e ffic i e n c y c o n c e p t ；t h e n，wi t h t h e h e l p o f t h e MA T L AB t o o l s ，t h e c o n s t r a i n t e ffic i e n c y d a t a o f e l e c t ri c fi e l d， o b t a i n e d f r o m d i f f e r e n t v a l u e s o f c u r r e n t a n d po s i t i o n p a r a me t e r s ， i s a n a l y z e d b y v a ria n c e ．Th e r e s u l t s o f v a r i a nc e a n a l y s i s s ho w t ha t t h e i n flu e n c e o f t he t wo pa r a me t e r s o n t h e c o n s t r a i n t e ffi c i e n c y o f t h e e l e c t ric fie l d a r e h i g h l y s i g ni fic a n t ． Ke y wo r d s a d v a n c e d d e t e c t i o n；e x c i t a t i o n me t h o d；r e s t ric t i o n e ffic i e n c y ；v a r i a n c e a n a l y s i s ； s i g n i fi c a n c e 0 引言 煤矿井下巷道掘进面前方隐伏 的地质构造 ， 如地下水、 断层、 陷落柱等， 给安全生产带来很大 威胁_ 1 。 J 。因此， 煤矿安全规程 规定 “ 矿井必 须做好水害分析预报和充水条件分析 ， 坚持预测 预报 、 有掘必探、 先探后掘 、 先治后采 的防治水原 则” 。 [ ] 3 0 激励法超前探测技术是利用 围岩中地质异常 体激电效应 比较明显 的特征 ， 采用双频 调制波 电 流作为激励电流 ， 测量掘进前方 围岩发生激发极 化后的激电参数 ， 同时根据同性 电场相斥的性质 ， 利用约束电极发射电流形成的约束 电场与主电极 发射电流形成的探测 电场相互作用 ， 使探测 电场 的传播方 向与传播范围控制一定区域 内 ， 实现角 度扫描和深度扫描探测 ， 达到定方 向、 定距离探测 收稿 日期 2 0 1 60 9 2 3 基金项目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 重大基金资助项 目 2 0 1 2 A A 0 6 A 4 0 5 ； 中央高校基本科研业务费资金资助项 目 3 1 4 2 0 1 5 0 9 8 ， 3 1 4 2 0 1 5 0 8 7 作者简介 张伟杰 1 9 7 2 一 ， 女， 河北邯郸人， 博士， 博士后， 华北科技学院机电工程学院副教授， 研究方向 矿山机械， 机电一体化。 E - m a i l w z h a n g w e i j i e 1 6 3 ． c o m 第6期 张伟杰等 激励法超前探测技术电场约束效率的方差分析 的 目的 。电场 的约束效率 直接反映 约束电极 和主电极的位置参数及电流取值对探测范围的影 响 ， 是激励 法超前探 测技 术研究 的最重 要 内容 之 一 。 1 激励法超前探测技术原理 如图 1 a 所示 ， 主电极 A位于巷道 断面 中 央， 约束电极 B l～B 8 布置在 四周。主 电极和约 束 电极 同时向掘进前方发射同频率 、 同极性 的双 频 高频和低频 交流电流 ， 根据电荷 同性相排斥 原理 ， 两种 电极产生的电场相互排斥 ， 使探测电场 的传播方 向与传播范围得 以约束 ， 即在前方探测 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 ， 减弱了电场的全空间效 应。如图 1 b ， C为接地电极 ， 在 AC及 B 1 8 一C之间经 围岩体 内形 成探测 电场 ， 当探测电 场穿过地质异常体时 ， 产生激发极化效应 ， 测量 A 和 c之间的电位差信号 ， 可获得 围岩激 发极化信 息 ， 从而判定前方围岩地质状况 。 。 约束电极 ⋯ ⋯ B 2 - 二 ’ 。 ’ ． r ’ ， - 主电极 l | ， B 8． { ● 【．B4 ． ； A 。 - ． - 。 ⋯ 一了之 ‘ ‘ B7 B 一 ‘ ‘． a 电极布置 b 电场约束效果 图 1 电极布置与 电场约束效果 设 △ ， 为系统以高频 供电时测得 的电 极 A与 C之间的电位差和电流值 ； △ ， ， 为系统 以低频 供电时测得 的电极 A与 C之间 的电位 差和电流值。根据式 1 、 2 可求得高频视电阻 率 P 和低频视电阻率P 学 1 学 2 取 ， ， L时 ， 得 出 JP 朋 P e r c e n t f r e q u e n c y e f f e c t ， 百分频率效应 的值为 P x l O 0％ P 。％ s | v | ． 3 将 由式 1 ～ 3 获得的反映围岩激发极化 信息的视电阻率 P 及百分频率效应 P 胞 值等参 数值与无地质异常时的计算值对比， 若两者相同， 则前方无地质异常 ， 反之 ， 若两者数据值有差别， 说明前方有异 常。用曲线表示参数变化规律时， 若含水 ， 视电阻率 曲线 出现 凹谷 ， 而对应 P F E值 曲线 出现凸峰 ， 如图 2所示 ； 含陷落柱时， 视电阻 率曲线 出现凸峰 ， 而对应 P F E值 曲线 出现 凹谷 ， 如图 3所示 ； 含断层时 ， 视电阻率曲线单次阶跃上 升 ， 而对应的 P F E值 曲线 单次 阶跃 下降 ， 如图 4 所 示 “ ] 。 ． 1 【 ；． 一 三 丰 羊 ～ ⋯ ．1⋯⋯ ⋯I 一 一 l⋯ 一 ；⋯ ⋯ } 卜 }一 J ； ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ r 寸 一 ～ { l z l f1 ． r 寸_ J_ l_ Lt] 一l 一 1 脚 铡 删 号_ _ _ _ 0 曩 _ _ _ b 含水地质构造的P F E 值曲线 图2 含水地质构造曲线 2电场约束效率研究 约束电极的位置和电流强度均会影响探测电 场的约束效果， 利用 M a t l a b软件对电场的约束效 31 华北科技学院学报 2 0 1 6 年第6 期 n { 【 ； 二 [ } d c i_r L r l n | l 0 L 】 { l L I ” 1 I | _ 曛嘎 a 陷落柱地 质构造电阻率值曲线 目 啊 I曙 b 陷落柱地质构造的P F E 值曲线 图3 陷落柱地质构造曲线 i L 2 囊柱 电阻事I t ● F L 1 。 } r } a 断层地 质构造的 电阻率曲线 目 l _ ■■l b 断层地质构造的P F E 值 曲线 图 4断层地质构造 曲线 果进行仿真， 通过分析电场约束效率的相对大小， 确定约束电极参数 的最佳取值 ， 对于探测仪器硬 件开发具有重要 的指导意义。 2 ． 1 电场约束效率的概念 各约束电极电流强度取相 同值时 ， 探测 电场 传播方向为掘进正前方的喇叭口范围。为研究当 约束 电极电流强度 与主 电极 电流强度 ， 0以及 约束 电极位置变化时 ， 约束电场对主 电场约束效 3 2 果的影响， 特提出电场约束效率 叼 的概念 卜 j ， ， 并称|i} }为电流参数， 若以主电极所在位置为 10 坐标原点 0， 称约 束 电极 到坐标 0点 的距离 6 m 为位置参数。 如图 5所示 ， 选取 0时 不加约束 电场 的一条参考电力线 L， 点 A m， r 0 为 L上一点。A 点处的电位为 和电场强度为 ， 且 E 4一V 4 当 值不为零时 即约束电极 B 2和 B 6的电 流值 ， 2 和 ， 6 均不为零 ， 约束 电场对主电场产生 约束作用 ， 则存在一点 B m， r ， 其电位 为 ， 电 场强度为 E ， 且 E 月一V 口 5 令式 4 5 即 E E 月 ， 一V 一 6 根据探 测实 际需 要和 简化计 算 ， 取 ， n5 0 米 ， 解式 6 可得 到 的值 计算过程略 。可通 过 比较 r 。 m 和 r m 的大小来分析约束 电场对 探测 电场 的 约束 作 用 ， 故 电 场 约 束 效 率 7 7 定 义为 仉 1 0 0 ％ i 1 ， 2 ， 3 ⋯ 7 图 5 电场约束效率的定义 2 ． 2 电流参数 和位置参数 b取不 同水 平 时的电场约 束效 率 考虑到井下瓦斯 限制 了检测 电流值不能 夫 大 ， 因此根据经验 ， 电流参数 分 别取 0 ． 5 、 1 ． 0、 1 ． 5 、 2 ． 0 、 2 ． 5 、 3 ． 0、 3 ． 5 、 4 ． 0 、 4 ． 5 、 5 ． 0 ， 十个水平 ； 通常巷道 的高宽约 为 4～6 m， 因此 ， 位 置参 数 b 分别取 2 ． 0 、 2 ． 5 、 3 ． 0、 3 ． 5、 4 ． 0 ， 五个水平 在相同试验条件下 ， 所得 电场约束效率如表 1所示 一一 一 一 _ 一 ． j _ _ 一 一 i 兰 I 一 一 i 二 靖 量 第 6期 张伟杰等 激励法超前探测技术电场约束效率的方差分析 表 1 电场 约束效 率随 k和 不 同的值 不 同 b值下 电场约束效率／ ％ k 2 ． 0 m 2 ． 5 m 3 ． 0 m 3 ． 5 m 4 ． 0 m 0 ． 5 1 1 ． 2 O 1 6 ． 5 7 2 4 ． 3 3 2 4 ． 7 8 2 4． 81 1 ． O 1 5 ． 9 4 2 2 ． 8 6 31 ． 6 7 3 3 ． 1 9 3 6 ． 6 3 1 ． 5 1 8 ． 5 7 2 6 ．1 8 3 5 ． 0 4 3 7 ． 5 2 41 ． 4 7 2 ． O 2 0 ． 2 6 2 8 ． 2 5 3 7 ．1 4 4 0 ．1 7 4 4． 4 6 2 ． 5 21 ． 3 9 2 9 ． 6 7 3 8 ． 5 6 41 ． 9 6 4 6 ． 4 8 3 ． O 2 2 ． 2 5 3 0． 71 3 9 ． 5 7 4 3 ． 2 6 4 7． 9 5 3 ． 5 2 2 ． 8 8 3 1 ． 4 8 4 0 ． 3 7 4 4 ． 2 2 4 9 ． 0 6 4 ． O 2 3 ． 3 9 3 2 ． 0 8 4 0 ． 9 7 4 4 ． 9 9 4 9 ． 9 3 4 ． 5 2 3 ． 8 2 3 2 ． 5 9 41 ． 4 7 4 5 ． 6 2 5 O． 6 3 5 ． O 2 4 ． 1 6 3 3 ． 0 0 41 ． 8 8 4 6 ．1 2 5 1 ． 2 0 3 电场约束效 率的方差分析 方差分析是最常见的数据处理方法之一 ， 是 科学研究 中分析试验数据 的一种有效 的工具 ， 已 经广泛应用于许多领域 ， 并 取得 了良好 的效果。 通过方差分析可以获得因素对研究结果影响力的 大小 ， 从而指导研究 卜 。 影响电场约束效率 的有电流参数 k和位置参 数 b两个 因素 ， 这两个因素分另用 A和 B表示 ， 且两因素之间没有交互作用。 3 ． 1 构建数据表和方差分析表 两 因素无重复试验数据表格式如表 2所示。 表 2 两 因素 无重 复试验数据表格式 因素 口 因素 A Bl B2 曰 Al l 2 A 2 l 如 A， ， 1 r 2 设 X ～N g ， ， i 1 ， 2 ， ⋯， r ； j ‘ 1 ， 2 ， ⋯s ； 且各 X 独立。得 X p t t B i s N o， o r i 1， 2， ⋯ ， r ； 1， 2， ⋯ ， s ∑ 0 ， ∑ o 式中， ， 分别为因素 A和因素 B的均值 ； 为 总体均值 ； 为总体方差； 且各 8 ／j 独立。 因此 ， 两因素无重复试验方差分析表格式如 表 3所示 。 表 3 两 因素无重 复试验 方差分析表格式 方差来源 偏差平方和 自由度 方差 F值 F 显著性 因素 A S S A r 一1 MS AS S A F ．．．M． ． ． ． ．S． A 查表 ，一J A 。 MS E 因素 B s s B s 一1 MS BS S B 一些望 5一l 一M S E _ ， S S E 误差 s s E r 一1 s 一1 ⋯一 r 一1 ． 1 总和 S S 一1 表中， r 1 0， S 5 。 3 ． 2 方差分析表 的 MAT L AB编程与运行 根据方差分析思路 与步骤的 MA T L A B编程 如下 f u n c t i o n t a b l ea n o v a 2 s A a l p h a[ 0 ． 0 5 ， 0 ． 0 1 ] ； f o r m a t s h o r t g [ p v a l ， B ]a n o v a 2 A， 1 ， ’ o f f ’ ； t a b l eB t a b l e 2 ， B 3 ， ； t a b l e 3 ， B 2 ， ； t a b l e 1 ， 1 7 { ‘ 方差 来 源 ’ ， ’ 偏 差 平方 和’ ， ’ 自由度 ’ ， ’ 方差 ’ ， ’ F值 ’ ， ’ F a ’ ， ’ 显 著 性 ’ } ； t a b l e 2 5 ， 1 { ‘ 行 间 因 素 ’ ； ’ 列 间 因 素 ’ ； ’ 误差 ’ ； ’ 总和’ } ； F 1ti n y 1一a l p h a ， t a b l e{ 2 ， 3} ， t abl e{ 4， 3 3 华北科技学院学报 2 0 1 6 年 第6 期 3} ； F 2fi n v 1一a l p h a ， t a b l e{ 3 ， 3} ， t a b l e{ 4 ， 3 } ； ta b l e{ 2 ， 6}[ n u m 2 s t r F 1 1 ， ’ ； ’ ， n u m 2 s t r F 1 2 ] ； ta b l e{ 3 ， 6}[ n u m 2 s t r 1 ， ’ ； ’ ， n u m 2 s tr r 2 2 ] ； m r k{ ‘ 不显著 ’ ， ’ 显著 ’ ， ’ 高度显著 ’ } ； t s t 1 p v al 0 ． 0 5 p v al0 ． O 1 ； t a b l e 2 3 ， 7 { m r k { t s t 2 ， m r k { t s t 1 } } ； 运行程序， 调入表 1中数据， 得到方差分析数 据结果如表 4所示。 表 4 方差分析结果 方差 偏差平方和 自由度 方差 ，值 ， 显著性 来源 2 ． 1 5 2 6 高度 因素 A 1 5 9 8 ．1 O4 8 9 1 7 7 ． 5 6 7 2 71 ． 1 5 31 2 ． 9 4 6 1 显著 2 ． 6 3 3 5 高度 因素 B 3 7 0 6 ． 3 1 3 9 4 9 2 6 ． 5 7 8 5 3 7 1 ． 2 9 0 2 3 ． 8 9 0 3 显著 误差 e 8 9 ． 8 4 0 3 3 6 2 ． 4 9 5 6 总和 5 3 9 4 ． 2 5 8 9 4 9 由表 4显著性一列中可以看出 ， 因素 A 电流 参数 和因素 B 位置参数 对电场约束效率的影 响均为高度显著。 4 结论 激励法超前探测技术是利用介质激发极化特 性 ， 间接判定巷道前方是否存在异常地质体 的一 种方法 。约束效率是影响超前探测准确度 的关键 参数之一 ， 其受煤岩特性及 电极 电流和电极位置 等多种 因素的影响。 文中简述了激励法超前探测技术原理 ， 并定 义 了电场约束效率概念 ， 借助 M A T L A B软件 ， 运 用方差分析方法研究了电流参数和位置参数对电 场约束效率的影响的显著程度， 为超前探测仪器 的开发研制与优化奠定了理论基础。 参考文献 [ 1 ] 韩进 ． 矿井水害监控及决策支持技术研究[ D ] ．上海 上 海 大学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 李新风 ， 魏久传 ， 尹会永 ， 等 ．肥城矿 区矿井水 害类型及特 征研 究[ J ] ．煤矿开采 ， 2 0 0 8 ， 1 3 2 1 31 5 ． [ 3 ] 李佩全， 刘登宪， 李永 ．淮南矿区矿井水害调研分析 [ J ] ． 华北科技学 院学报 ， 2 0 0 8 ， 5 1 5 8 ． [ 4] 国家安全 生产监督管 理总局 ．煤 矿安全 规程 [ M] ．北 京 中国法制 出版社 ， 2 0 1 0， 2 ． [ 5] 张伟 杰 ， 郝 明锐 ， 杜毅博 ， 等 ．基于双频 激 电法 的煤矿巷 道 超 前探测新 技术 初 探 [ J ] ．煤 炭科 学 技术 ， 2 0 1 0， 3 8 3 7 37 5 ． [ 6 ] We i j i e Z h a n g ， Mi n g r u i Ha o ， We i z h e n Z h a n g ， Mi a o Wu ．S t u d y o n r e a l t i me a h e a d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y f o r mi n i n g r o a d wa y b a s e d O n d o u b l e e q u e n c y i n d u c e d me t h o d[ c] ．T h e 2 n d in - t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n me c h a n i c a u t o ma t i o n an d c o n t r o l e n g i n e e r i n g MA C E 2 0 1 3 ， J u l y 2 0 2 2， 2 0 1 1 7 2 2 7 2 5 ． [ 7 ] 中国矿业大学 北京 ．电场约束法煤安型综掘机载地质构 造 探测系统[ P] 中国 ， 2 0 1 1 1 0 4 3 0 0 6 6 ． 0 ． 2 0 1 3 ． [ 8 ] 张伟杰， 郝明锐， 吴淼 ． 煤巷掘进含水地质构造探测仿真及 参数分析[ J ] ．煤炭工程， 2 0 1 2 ， 7 7 4 7 7 ． [ 9] We ij i e Z h a n g ， We i z h e n Z h a n g ， Mi a o Wu ．M ode l i n g a n d S i mu l a t i o n o f Ah e a d De t e c t i o n Te c h n o l o g y f o r Mi n i n g Ro a d wa y B a s e d o n I P M e t h od 『 C] ．2 0 1 1 I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t C o mp u t i n g a n d I n t e l l i g e n t S y s t e m s I C I S 2 0 1 1 De c e mb e r 1 82 0 2 83 2． [ 1 O ] Z h a n g We i j i e ， Z h a o Q i f e n g ． S i m u l a t i o n o f f a l l e n c o l u m n g e o l o g i c a l s t r u c t u r e d e t e c t i o n o f t u n n e l f a c e a n d p a r a me t e r s an a l y 一 出 [ C] ．2 0 1 3 I n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n me c h a t r o n i c s ， 印一 p l i e d me c h a n i c s a n d e n e r gy e n g i ne e rin g ， J u l y 2 72 9， 2 0 1 3， V o 1 ． 3 9 4 2 0 1 3 3 5 7 3 6 3 [ 1 1 ] Z h ang We i j i e ， H a o Mi n g r u i ， L j u Z h i mi n ． S i m u l a t i o n a n d p a r a m e t e r s a n al y s i s o f f a u l t g e o l o gi c a l s t r u c t u r e fo r d e t e c t i o n i n t h e e x c a v a t i o n f a c e f C1 ．2 0 1 3 I n t e rna t i o n a l c o nfe r e n c e o n r e ． n e w a b l e e n e r gy and e n v i r o n me n t al t e c h n o l o gy R E E T 2 0 1 3 ， S e p t e mb e r 212 2， 2 0 1 3 3 7 4 23 7 4 6 ． [ 1 2 ] 王岩 ， 隋思涟 ．试验 设计 与 MA T L A B数据 分析 [ M] ．北 京 清华大学出版社 ， 2 0 1 4 ． [ 1 3 ] 林飞 ， 杜欣 ．电力电子应用技术的 M A T L A B仿真 [ M] ．北 京 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 ．