聚焦双频激电法煤巷超前探测土槽实验研究.pdf

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术机械工程与技术, 2015, 43, 198-208 Published Online September 2015 in Hans. http//www.hanspub.org/journal/met http//dx.doi.org/10.12677/met.2015.43022 文章引用文章引用 周游, 吕一鸣, 张金涛, 刘志民, 刘希高, 吴淼. 聚焦双频激电法煤巷超前探测土槽实验研究[J]. 机械工程 与技术, 2015, 43 198-208. http//dx.doi.org/10.12677/met.2015.43022 Soil Trough Experimental Study Based on the Focused Dual Frequency Induced Polarization in Advanced Detection of Coal Roadway You Zhou, Yiming Lv, Jintao Zhang, Zhimin Liu, Xigao Liu, Miao Wu China University of Mining and Technology Beijing, Beijing Email zhouy0208 Received Sep. 3rd, 2015; accepted Sep. 16th, 2015; published Sep. 23rd, 2015 Copyright 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License CC BY. http//creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Abstract Focused dual frequency IP instrument has been designed and fabricated based on the principle of focused dual frequency induced polarization . Then we established soil trough experiment plat and structured the abnormal water bearing body by simulating conditions of the coal mine, the detailed design process of experiment plat is given. Based on special electrode layout mode that the electrode is perpendicular to the roadway section, on the condition of no deflection, we got the apparent amplitude frequency data with and without abnormal water bear- ing body by changing the bucking current ratio and the relative position between the two mea- suring electrodes. And we obtained the best bucking current ratio and measurement electrode position under these conditions according to data analysis. Keywords Advanced Detection of Coal Roadway, Focused Dual Frequency Induced Polarization , Soil Trough Experiment, Electrode Layout Mode, Apparent Amplitude Frequency 聚焦双频激电法煤巷超前探测土槽实验研究聚焦双频激电法煤巷超前探测土槽实验研究 周周 游，吕一鸣，张金涛，刘志民，刘希高，吴游，吕一鸣，张金涛，刘志民，刘希高，吴 淼淼 中国矿业大学北京，北京 周游 等 199 Email zhouy0208 收稿日期2015年9月3日；录用日期2015年9月16日；发布日期2015年9月23日 摘摘 要要 基于聚焦双频激电法原理设计并制作了聚焦双频激电仪，模拟井下环境建立了土槽实验台并构造了含水基于聚焦双频激电法原理设计并制作了聚焦双频激电仪，模拟井下环境建立了土槽实验台并构造了含水 异常体，给出了实验台的详细设计过程。基于垂直于煤巷断面的特殊布极方法，在无偏转条件下，通过异常体，给出了实验台的详细设计过程。基于垂直于煤巷断面的特殊布极方法，在无偏转条件下，通过 变换屏流比和两测量电极的相对位置关系，测得在有无含水异常体下的视幅频率数据。根据数据分析得变换屏流比和两测量电极的相对位置关系，测得在有无含水异常体下的视幅频率数据。根据数据分析得 到了此条件下的最佳屏流比及最佳测量电极位置。到了此条件下的最佳屏流比及最佳测量电极位置。 关键词关键词 煤巷超前探测，聚焦双频激电法，土槽实验，布极，视幅频率煤巷超前探测，聚焦双频激电法，土槽实验，布极，视幅频率 1. 引言引言 目前用于煤巷综掘超前探测的方法均存在一定的不足，主要表现在探测准确率低、方向性差、实 时性差、效率低、成本高、抗干扰能力差等突出问题[1]。因此，文献[2]提出了“动态电场激励法煤巷超 前探测技术”，聚焦双频激电法源于动态电场激励法[1] [3] [4]，该方法充分利用双频激电法原理[5]的优 点，结合电场聚焦和偏转理论，可实现地质异常体准确定位。本人所在课题组长期致力于聚焦双频激电 法的研究，目前已经研制出发射装置和接收装置的实验样机。 目前国内各种超前探测方法的模拟实验主要用于隧道的超前探测，用于煤巷综掘超前探测的相关研 究较少，更鲜有基于聚焦双频激电法的相关模拟实验研究。有学者基于直流电法超前探测技术，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对前方已知的物 体进行探测[6]。还有学者基于矿井直流电法掘进超前探测理论，建立了独头巷道掘进面前方存在球体溶 洞时的超前探测数学模型，探讨了溶洞至掘进面距离、溶洞半径、埋深等参数与视电阻率异常的联系， 给出了相应理论曲线或经验公式，并采用沙槽模拟实验对理论进行验证[7]。还有学者基于聚焦电流法隧 道超前探测理论，采用两种电极布置方式进行沙槽模拟实验[8]。 本文基于聚焦双频激电法，采用垂直于断面布置电极的方法，在土槽中放置含水异常体模型，模拟 井下含水地质构造，通过变换屏流比及测量电极位置，开展土槽实验研究。通过对视幅频率数据的分析 得到最佳屏流比及最佳测量电极位置。 2. 聚焦双频激电法原理聚焦双频激电法原理 2.1. 双频激电法双频激电法 双频激电法[5]主要利用两种不同频率并具有相关性的方波电流进行叠加，同时供入大地，形成双频 组合电流作为激励源；并接收含有地质异常信息的极化电势差，通过仪器内部的斩波放大、相敏检波等 手段，得到其高频电位差与低频电位差，从而求得异常构造所产生的激发极化效应induced polarization 简称 IP 效应。 通常使用“百分频率效应”Percent frequency effect，缩写为 PFE、或视幅频率表征频域激发极化程 度，其定义为 周游 等 200 100 LH S L VfVf PFEF Vf ∆−∆ ∆ 1.1 式中， H Vf∆和 L Vf∆分别表示高、低频电位差。双频激电法充分发挥频率域激电法的优点，将高低 两种频率进行叠加调制，形成双频激发电流如图 1a，对探测区域进行激电激励，探测双频激电场电位 差信息如图 1b，一次性同时得到高频电位差和低频电位差，即可直接计算视幅频率值。 该方法观测精度高，稳定性好，观测装置轻便灵活，并具有较强的抗干电磁扰能力，而且发射装置 的电流变化也对测量结果影响较少。但是由于煤巷掘进工作特点，无法直接应用于煤巷掘进超前探测。 该探测方法是聚焦双频激电法的基础。 2.2. 聚焦双频激电法聚焦双频激电法 聚焦双频激电法源于双频激电法，依据空间电场效应，根据同性电场之间互相排斥的性质，在掘进 工作面四周布置约束电极以形成约束电场，从而与主发射电极的探测电场进行相互作用，利用电场的约 束作用，有效控制电场的传播方向，使探测电场的发射方向与发射范围控制一定范围内；并通过改变各 约束电极电流强度，使探测电场发生偏转，从而实现对掘进面前方进行半空间探测，对含水地质异常构 造进行准确定位，达到定方向、定距离探测的目的。如图 2 所示。 3. 实验样机功能实验样机功能 3.1. 发射样机发射样机 聚焦双频激电仪发射装置的实验样机已经初步研制并调试完成，且达到了预期的设计目标 1 输入 127 V 交流电，输出五路相互隔离且幅值单路可调的调制方波电流，波形如图 3 所示； a b Figure 1. Dual frequency wave a Synthesis of dual frequency modulated wave current; b Received wave 图图 1. 双频激电波形 a 双频调制波电流的合成；b 接收波 形示意图 周游 等 201 2 发射装置的显示屏可显示各路输出的电流幅值 Ii、电压值 Vi和接地电阻值 Ri； 3 与接收装置进行通讯，将各路输出的电流幅值传送给接收装置； 4 接受接收装置的控制信号且用该信号控制输出电流波形的频率和相位。 3.2. 接收样机接收样机 聚焦双频激电仪接收装置的实验样机已经初步研制并调试完成，且达到了预期的设计目标 a b Figure 2. The focused dual frequency induced polarization in advanced detection of coal roadway a Driving surface electrode arrangement; b The arrangement of the electrodes in the vertical section of the tunnel and the sche- matic diagram of the constrained electric field; 1. Ground electrode; 2. Constrained electrode system Bi; 3. main elec- trode A and measuring electrode M; 4. Surrounding rock mass media 图图 2. 聚焦双频激电法超前探测方法a 掘进面电极布置 示意图； b 巷道纵切面电极布置及约束电场示意图， 1. 接 地电极；2. 约束电极系 Bi；3. 主电极 A 及测量电极 M； 4. 围岩介质 Figure 3. Schematic diagram of output current 图图 3. 输出电流波形示意图 周游 等 202 1 接收的高低频电压信号频率为以下四组中的任意一组1 Hz 与 1/13 Hz、2 Hz 与 2/13 Hz、4 Hz 与 4/13 Hz、8 Hz 与 8/13 Hz； 2 提取及显示与巷道前方地质结构相关的参数高低频电位差幅值与相位、视幅频率； 3 可将数据进行存储并通过外设接口导出到移动存储设备中； 4 发出控制信号控制发送机各路电流输出的波形频率和相位。 4. 实验设计实验设计 4.1. 土槽实验模型设计土槽实验模型设计 参照煤矿安全规程和井下探放水技术规范 MT/T632-1996，取探水起点至积水区距离为 40 米，设巷 道掘进断面尺寸宽 5 m 高 4 m，按 110 比例进行设计。在平坦大地开挖一个土槽，使巷道腔体模型尺 寸长为 4.3 m，深为 0.8 m。含水异常体腔的尺寸为宽 1.5 m 厚 0.5 m 高 1.1 m，如图 4 所示。 4.2. 布极方案设计布极方案设计 本实验在有无异常体下，变换屏流比约束条件和测量电极位置开展实验。其中，无约束时主电极电 流取30 mA； 屏流比为11时主电极和约束电极电流均为30 mA； 屏流比为12时， 约束电极电流为15 mA， 主电极电流为 30 mA；屏流比为 21 时，约束电极电流为 30 mA，主电极电流为 15 mA。另外实验过程 中频率对选择 1 Hz 和 1/13 Hz。具体方案设计如图 5 所示。 5. 数据处理及分析数据处理及分析 5.1. 测量电极测量电极 M 在靠近在靠近主主电极一侧电极一侧 在不同聚焦条件下，将测量电极 M 固定在靠近电极一侧，改变 MN 距离实验，如图 6 所示。此时的 聚焦方案依次为无聚焦、屏流比分别为 11、21、21 等四个方案；布极时，测量电极 M 固定，依次在 MN1、MN2 和 MN3 之间测量，MN 之间的距离依次为 5 cm、10 cm、15 cm。 四种聚焦方案下，PFE值曲线如图 7 所示，PFE相对增长率曲线如图 8 所示，高低频电位曲线如 图 9 所示。 从图7不同聚焦条件下有无异常体PFE对比曲线和图8不同聚焦条件下有异常体PFE相对增长率 曲线图中，可以看出四种聚焦条件下得到的数据都能反映异常。有约束比无约束的 PFE差别大很多， 即有约束比无约束对异常体反应更加灵敏。另外，屏流比为 12 和 21 时有、无异常体的 PFE值随 MN 距离变动变化比较剧烈，屏流比为 11 时有、无异常体的 PFE值变化适中。 0.8m 4.3m0.7m 1.1m 0.5m 1.5m 0.5m 巷道腔体 有害 含水 异常 体 Figure 4. Experimental model of soil tank 图图 4. 土槽实验模型 周游 等 203 发射电极接地 电极B 测量电极 主电极A 约 束 电 极 B1 约束电极B2 约 束 电 极 B3 约束电极B4 测量电极 12345678 55 Figure 5. Layout design of electrode 图图 5. 布极方案设计 主电 极A 约 束 电 极 B1 约束电极B2 约 束 电 极 B3 约束电极B4 测量电极 M N1 N2 N3 5678 55 Figure 6. Measuring electrode M is at the side of the main electrode 图图 6. 测量电极 M 在靠近主电极一侧布极 Figure 7. Comparison of PFE with or without abnormal body under different focusing conditions 图图 7. 不同聚焦条件下有无异常体 PFE对比 51015 10 15 20 25 30 PFE MN/cm 无 约 束 无 异 常 有 异 常 51015 10 15 20 25 30 PFE MN/cm 屏 流 比 11 无 异 常 有 异 常 51015 10 15 20 25 30 PFE MN/cm 屏 流 比 21 无 异 常 有 异 常 51015 10 15 20 25 30 PFE MN/cm 屏 流 比 12 无 异 常 有 异 常 周游 等 204 Figure 8. The relative growth rate of PFE with abnormal body in different focusing conditions 图图 8. 不同聚焦条件下有异常体 PFE相对增长率曲线 Figure 9. High and low frequency potential curves under different focusing conditions 图图 9. 不同聚焦条件下高低频电位曲线 分析其原因，从图 9 可看出，无约束时电位值较大，约束为 11 时电位值适中，屏流比为 12 和 21 时电位值较小。根据 PFE 计算公式可知，当介质极化率一定一定时，电位基数越大对异常反应的淹没 就越大。同理，电位基数越小则误差的影响就会被放大。所以无约束时由于电位基数较大，导致 PFE 值较小探测灵敏度较差；屏流比为 12 和 21 时电位基数较小，虽然 PFE值较大，但是由于误差的影响 被放大故 PFE的稳定性很差，实际探测时容易引起误判；约束为 11 时电位基数适中，PFE较大探测 灵敏度较高。 因此，从以上实验可得出在 M 固定，依次在 MN1、MN2 和 MN3 之间测量这种布极方式下，采 用屏流比 11 进行探测，这种探测方式测得的灵敏度和可靠性都较高。 5.2. 测量电极测量电极 M 在远离主电极一侧在远离主电极一侧 在不同聚焦条件下，将测量电极 M 固定在远离电极一侧，改变 MN 距离实验，如图 10 所示。此时 56789101112131415 -5 0 5 10 15 20 25 30 PFE 相对增长率 MN/cm 无 约 束 屏 流 比 11 屏 流 比 21 屏 流 比 12 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 无 约 束 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 屏 流 比 11 △UL △UH 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 屏 流 比 21 △UL △UH 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 屏 流 比 12 △UL △UH △UL △UH 周游 等 205 的聚焦方案依次为无聚焦、屏流比分别为 11、21、21 等四个方案；布极时，测量电极 M 固定，依次 在 MN1、MN2 和 MN3 之间测量，MN 之间的距离依次为 5 cm、10 cm、15 cm。 四种聚焦方案下，PFE值曲线如图 11 所示，PFE相对增长率曲线如图 12 所示，高低频电位曲线 如图 13 所示。 从图 11 和图 12 中可以看出这种布极方案下测得的有、无异常体的 PFE值出现了交叉，还会有很 大的负值出现，并且有异常体时 PFE值随 MN 距离的变化而变化的非常激烈。 分析其原因，这是由于在这种布极方式下测的电位差较小，误差影响被放大引起的。 因此，从以上实验可得出这种布极方法的误差太大，实际应用时非常容易引起误判，所以不建议 采用这种布极方案。 5.3. 测量电极测量电极 MN 跑极跑极 在不同聚焦条件下，将测量电极 MN 进行跑极实验，如图 14 所示。此时的聚焦方案依次为无聚焦、 屏流比分别为 11、21、21 等四个方案；布极时，依次在 M1N1、M2N2 和 M3N3 之间测量，MN 之间 的距离为 5 cm。 主电 极A 约 束 电 极 B1 约束电极B2 约 束 电 极 B3 约束电极B4 测量电极 MN1N2N35678 55 Figure 10. Measuring electrode M is far from the side of the main electrode 图图 10. 测量电极 M 在远离主电极一侧 布极 Figure 11. Comparison of PFE with or without abnormal body under different focusing conditions 图图 11. 不同聚焦条件下有无异常体 PFE对比 51015 8 10 12 14 PFE MN/cm 无 约 束 51015 -10 0 10 20 PFE MN/cm 屏 流 比 11 51015 -60 -40 -20 0 20 PFE MN/cm 屏 流 比 21 51015 -60 -40 -20 0 20 PFE MN/cm 屏 流 比 12 无 异 常 有 异 常 无 异 常 有 异 常 无 异 常 有 异 常 无 异 常 有 异 常 周游 等 206 Figure 12. The relative growth rate of PFE with abnormal body in different focusing conditions 图图 12. 不同聚焦条件下有异常体 PFE相对增长率曲线 Figure 13. High and low frequency potential curves under different focusing conditions 图图 13. 不同聚焦条件下高低频电位曲线 主电 极A 约 束 电 极 B1 约束电极B2 约 束 电 极 B3 约束电极B4 测量电极 M1 N1 N2 N3 5678 55 M2 M3 Figure 14. Measuring electrode MN as running pole 图图 14. 测量电极 MN 跑极 56789101112131415 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 PFE 相对增长率 MN/cm 无 约 束 屏 流 比 11 屏 流 比 21 屏 流 比 12 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 无 约 束 △UL △UH 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 屏 流 比 11 △UL △UH 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 屏 流 比 21 △UL △UH 51015 0 0.5 1 1.5 电位差 /V MN/cm 屏 流 比 12 △UL △UH 周游 等 207 四种聚焦方案下，PFE值曲线如图 15 所示，PFE相对增长率曲线如图 16 所示，高低频电位曲线 如图 17 所示。 从图 15 和图 16 可以看出这种布极方案下测得的有、无异常体的 PFE值出现了交叉，还会有很大 的负值出现，并且有异常体时 PFE值随 MN 距离的变化而变化的非常激烈。 分析其原因，这是由于在这种布极方式下测的电位差较小，误差影响被放大引起的。 因此，从以上实验可得出，这种布极方法误差的影响太大，实际应用时非常容易引起误判，所以不 建议采用这种布极方案。 6. 结论结论 综合分析在有、无异常体的实验条件下，3 种布极方式，4 种聚焦方案的实验数据，得到对异常体灵 敏度较高，且误差干扰较低的最佳探测方案如下 Figure 15. Comparison of PFE with or without abnormal body under different focusing conditions 图图 15. 不同聚焦条件下有无异常体 PFE对比 Figure 16. The relative growth rate of PFE with abnormal body in different focusing conditions 图图 16. 不同聚焦条件下有异常体 PFE相对增长率曲线 51015 -10 0 10 20 30 PFE MA/cm 无 约 束 无 异 常 有 异 常 51015 -10 0 10 20 30 PFE MA/cm 屏 流 比 11 无 异 常 有 异 常 51015 -10 0 10 20 30 PFE MA/cm 屏 流 比 21 无 异 常 有 异 常 51015 -100 -50 0 50 PFE MA/cm 屏 流 比 12 无 异 常 有 异 常 56789101112131415 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 PFE 相对增长率 MA/cm 无 约 束 屏 流 比 11 屏 流 比 21 屏 流 比 12 周游 等 208 Figure 17. High and low frequency potential curves under different focusing conditions 图图 17. 不同聚焦条件下高低频电位曲线 1 最佳布极方案为测量电极 M 固定在靠近主电极的一侧，通过改变 N 的位置来改变 MN 距离； 2 最佳屏流比 11四个约束电极的电流值与主电极取相同的电流值，这时的聚焦效果更好； 3 本文给出了在室内土槽实验模型条件下的测试实验结果， 可作为实际煤巷情况下测试实验的理论 基础。鉴于仪器目前的条件，后续实测条件下的实验还有待研究。 基金项目基金项目 国家“十二五”863 计划重大项目2012AA06A405。 参考文献参考文献 References [1] 张伟杰, 郝明锐, 杜毅博, 吴淼, 等 2010 基于双频激电法的煤矿巷道超前探测新技术初探. 煤炭科学技术, 3, 73-75. [2] Zhang, W.J., Hao, M.R., Zhang, W.Z. and Wu, M. 2011 Study on realtime ahead detection technology for mining roadway based on double frequency induced . 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