煤巷多点电流源双频激电法超前扫描探测技术.pdf

第4 5卷 第4期 2017年8月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2 . 华北科技学院机电工程学院，北京 101601; 3 . 中国矿业大学北京机电与信息工程学院，北 京 100083 摘要摘要在掘进工作面上设计多点电流源双频激电法探测电极布置方式，根据稳定电流场性质，建 立多点电流源电场线微分方程， 基于变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法， 对微分方程组进 行求解。定义探测电场空间立体角和电场线边界角概念，分析探测电场平均电流密度随主屏流比 系数及距掘进断面距离变化规律，确定聚焦效应探测时主屏流比系的取值范围。同时改变约束屏 流比系数和主屏流比系数，分析探测电场偏转角的变化规律及对其影响的主要因素，确定偏转效 应探测时约束屏流比系数的取值范围。工业性试验表明利用该方法进行超前扫描探测，根据视 幅频率和视电阻率异常激电效应参量变化规律，能够有效识别工作面前方围岩地质构造特征及低 阻含水异常体的方向，但含水异常体距工作面的准确距离和含水量的大小尚需进一步研究。 关键词关键词多点电流源双频激电法；超前扫描探测技术；聚焦与偏转效应；电场线 中图分类号中图分类号TD82 文献标识码文献标识码A DOI 10.3969/j.issn. 1001 -1986.2017.04.027 Study on advanced scanning detection technology of dual-frequency induced polarization with multi-point current sources in coal mine roadway LIU Zhimin1 , HAN Lei1 , ZHANG Weijie2, WU Miao3 1. College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China; 2. School of Mechanical-Electrical Engineering, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China, 3. School of Mechanical Electronic and Ination Engineering, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China A b s tr a c t T h e d e te c tio n e le c tro d e a rra n g e m e n ts o f d u a l-fre q u e n c y in d u c e d p o la r iz a tio n m e th o d w it h m u lti- p o in t c u rre n t s o u rc e s a re d e s ig n e d in th e h e a d in g fa c e . A c c o r d in g to th e p ro p e rtie s o f s ta b le c u rre n t fie ld , th e d iffe r e n tia l e q u a tio n s o f e le c tric fie ld lin e s w it h m u lt i- p o in t c u rre n t s o u rc e s a re e s ta b lis h e d a n d s o lv e d b a s e d o n th e fo u r th fifth - o r d e r v a ria b le s te p R u n g e -K u tta -F e lh b e rg a lg o rith m . T h ro u g h d e fin in g th e c o n c e p t o f d e te c tio n f ie ld s p a tia l a n g le a n d e le c tric f ie ld lin e s b o u n d a ry a n g le , th is p a p e r a n a ly z e s th e a v e ra g e c u rre n t d e n s ity o f th e d e te c tio n fie ld v a r ia tio n w it h th e m a in s h ie ld in g c u rre n t ra tio c o e ffic ie n t a n d th e d is ta n c e fr o m h e a d in g fa c e to d e te rm in e th e ra n g e o f th e m a in s h ie ld in g c u rre n t r a tio c o e ffic ie n t a t fo c u s in g e ffe c t d e te c tio n . W h e n th e c o n s tra in t s h ie ld in g c u rre n t ra tio c o e ffic ie n t a n d th e m a in s h ie ld in g c u rre n t ra tio c o e ffic ie n t a re c h a n g e d s im u lta n e o u s ly , th is p a p e r a n a ly z e s th e d e te c tio n fie ld d e fle c tio n a n g le v a r ia tio n a n d its in flu e n c e fa c to rs to d e te rm in e th e ra n g e o f th e c o n s tra in t s h ie ld in g c u rre n t r a tio c o e ffic ie n t a t d e fle c tio n e ffe c t d e te c tio n . T h e in d u s tr ia l te s ts s h o w th a t a c c o rd in g to a b n o rm a l in d u c e d p o la r iz a tio n e ffe c t p a ra m e te rs v a r ia tio n o f th e a p p a re n t fre q u e n c y a n d th e a p p a re n t r e s is tiv ity , u s in g th is m e th o d fo r a d v a n c e d s c a n n in g d e te c tio n c a n e ffe c tiv e ly id e n tify th e g e o lo g ic a l s tru c tu re c h a ra c te ris tic s o f th e s u rro u n d in g r o c k a n d th e d ir e c tio n o f th e lo w r e s is t iv ity w a te r-b e a rin g a n o m a ly in fr o n t o f th e h e a d in g fa c e , b u t th e a c c u ra te d is ta n c e a n d th e w a te r c o n te n t o f th e w a te r-b e a rin g a n o m a ly a re s t ill n e e d to b e fu r th e r s tu d ie d . K e y w o r d s d u a l-fre q u e n c y in d u c e d p o la riz a tio n m e th o d w ith m u lti- p o in t c u rre n t so u rc e s ; a d v a n c e d s c a n n in g d e te c tio n te c h n o lo g y ; fo c u s in g a n d d e fle c tio n e ffe c t; e le c tric fie ld lin e s 收稿日期2016-07-12 基金项目 国家高技术研究发展计划863计划项目2012AA06A4〇5;河北省自然科学基金项目D2017402158 Foundation item* National Hi-Tech Research and Development Program of China863 Program2012AA06A405； Natural Science Foundation of Hebei Province, ChinaD2017402158 第一作者简介 刘志民1975，男，河北承德人，博士，从事电法超前探测理论与应用研究工作.E-mail liuzhiminhd 引用格式 刘志民，韩雷，张伟杰，等.煤巷多点电流源双频激电法超前扫描探测技术[J].煤田地质与勘探，2017, 454 149-156. LIU Zhimin, H A N Lei, Z H A N G Weijie, et al. Study on advanced scanning detection technology of dual-frequency induced polarization with multi-point current sources in coal mine roadway [J]. Coal Geology yS 为组合电极装置系数；AJ7为等效电位差，mV; J为 等效电流，mA; AC/和 / 由组合电极装置系数决定。 1 . 2 聚焦与偏转效应扫描探测分析1 . 2 聚焦与偏转效应扫描探测分析 通过改变约束电极与主电极发射电流，控制主 电极探测电场进行聚焦与偏转扫描探测，聚焦与偏 转效应程度可用空间多点电流源的电场线变化来进 行描述。电场线是指在电极周围介质空间中画出的 一些假想曲线，借助电场线可以形象地描绘电场的 分布特征。 设在电阻率为P 的均勻煤巷围岩介质中，在仅 考虑断面中心处主电极d 形成的发射电场时，设其 发射电流为/。 ，因电极尺寸相对断面空间而言非常 小 ，可视为点电荷电场，则 距 d 点半径为r 的任意 节点丑处的电位为 --i-j-k 4 ox oy dz 将式3代入式4,得到空间任一点的电场强度 分 量 艮 、矣 和 尾 为 P _ P h f2x x a k2x kx 〃 4兀 卜 。3 4 j l y | h y , k2y-b, U yb, K y \ j 5 尾 刳f令 辛 讀 在电场中， 任一点的电场线的切线方向与该点的 电场强度云方向一致，引入参量则电场线方程为 dx _ d y _ d z YEY x y z 6 将式5代人式6,得到空间多点电流源电场线 微分方程为 g _dtx_pl0 \2x | kxa | | | kA x-a\ j X * 4t i[ rf rf rf j b _P h \ y . K y. ky-b yb k j] 7 7 Tr .尾f 5 {ff手警勢 构造向量A[x z] , 令其初值为Af。 ） ，则 式7变为 W〇 [ 0 yt0 zt0] 利 用 Matlab软件ode4 5 函数对上述微分方程组 进行求解，基于向量范数11估计局部截断误差， 使截断误差小于给定的误差限。〇 de4 5 求解器采用 变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法,能够自 动调节步长，具有较高的计算效率和精度[21]。 自主研制的超前探测仪由发送机、接收机、电 极和电缆组成图2,可同时发送5 路1路主电极和 4 路约束电极幅值在1060 mA连续可调的双频频 率可选择 8 Hz 及 8/13 Hz、4 Hz 及 W13 Hz、2 Hz 及 2H3 Hz、1 Hz及 1/13 H z中的任意一组调制方 波电流。为使主电极探测电场形成聚焦效应，各约 152 煤田地质与勘探第 45卷 其电场强度越强，反之电场强度越弱；在约束电极 作用下，探测电场沿断面前方集中传播，具有较好 的聚焦效应。 改变约束电极与主电极之间的主屏流比系数， 可控制有效探测电场发生不同程度的聚焦，其聚焦 效应程度可用探测电场空间立体角的大小进行度 量 ，探测电场空间立体角，定义为距掘进断面中心 乂某一空间距离处电流场覆盖区域面积*S对其断面 中心所张的立体角。 P J〇2；t j j1 sin Odd 2nl - cos dt 9 式中久为电场线边界线厶与巷道中心线夹角见图 4a，定义为有效探测电场的电场线边界角。 令式5电场强度云 0 , 计算中性点坐标，通 过中性点坐标得出电场线边界线方程，结合煤巷探 测实际，设探测距离s50m，此时有 0t arctan 10 式 中r, 为主屏流比系数取某一值时，在 50 m处 电场线边界线的纵坐标值。 改变主屏流比系数先值，有效探测电场的电场 线边界角久随主屏流比系数先变化曲线，如 图 4b 所示，随主屏流比系数 偏转效应探测时，若向下偏转，设置主电极发生电 流/〇45 m A、71727345 m A、/415 m A，即使上 下约束电极间的约束屏流比系数 3 ; 同理，向其 他方向偏转，以此类推。点击运行开始测量，通过 接收机依次检测测量电极MTV两端的高低频电位 差 ，由系统自动计算视幅频率和视电阻率值，待测 量数据稳定后进行存储，完成一个扫描周期后结束 本次测量。 随着掘进工作面不断向前推进，每掘进5 m按 上述方法重新探查一次， 连续测量10次 ， 导出试验 数据， 以工作面掘进距离为横轴， 利 用M A TLA B软 件绘制不同方位视幅频率和视电阻率变化二维等值 线图图9。从二维等值线图可以看出，聚焦和上偏 扫描探测时，围岩介质激电效应参量异常幅度变化 不 明 显 ，视 幅 频 率 为 1.81〜 3.0 2 ，视电阻率为 201.6〜 388.6 Q_m，即说明探测区域正前方和顶板处 无明显低阻异常，不存在含导水通道；左偏扫描 探测时，探测区域左帮测均显示髙阻异常，围岩介 质 视 幅 频 率 为 0.86〜 1.51， 视 电 阻 率 为 433.8〜 659.8 Q.m， 这是西北方向182106工作面为采 空区的正常特征反应；右偏扫描探测时，探测区域 右帮测均显示低阻异常， 视幅频率为4.38〜 6.65， 视电阻率为40.4〜 192.1 Qt ii，经分析，该测试段东 北方向为经过封堵过的突水巷道； 下偏扫描探测时， 激 电 效 应 参 量 异 常 幅 度 变 化 较 大 ，视幅频率为 1.94〜 6.41， 视电阻率为39.6〜 299.7 D.m， 且距起 始测点20 m处 ， 随工作面不断向前推进， 视幅频率 逐渐增加， 而视电阻率逐渐减小， 说明测点20 m前 方底板处某一位置存在低阻含水异常体，其含水量 的大小需通过探测地质资料数据积累和资料反演进 行估计，根据周边工作面施工钻孔情况，底板主要 含水层是下伏的野青灰岩含水层，钻孔揭露该含水 层涌水量为0.005〜 0.1 m3/m in， 水温为25.4〜 35.8C， 卜 462.1 -471.0 S6\ te 张张聲 }9 N drA00 N 第 4 期刘志民等 煤巷多点电流源双频激电法超前扫描探测技术 155 水位为-427〜 -208 m， 该含水层出水一般对工作面安 全生产影响较小。 0.5 min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 视幅频率/ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 0.5 -0.5丨 ■ 丨 ■ 國 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 220 240 260 280 300 320 视电阻率/ Q.m a聚焦扫描探测 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 260 280 300 320 340 360 380 视电阻率/ Q.m b上偏扫描探测 0.5 t 〇 -0.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 2 2.5 3 3.5 4 4.5 视幅频率/ 5 5.5 60.91.1 1.2 1.3 1.4 1.5 视幅频率/ 〇 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m -1M IIIM IllllgJ 50100 150 200 视电阻率/ Q.m c下偏扫描探测 250 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 视电阻率/ Q-m d左偏扫描探测 1 I -1■ m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m __________ 6 6.54.55 5.5 视幅频率/ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 工作面向前掘进距离z/m 40 60 80 100 120 140 160 180 视电阻率/ Q.m e右偏扫描探测 图9视幅频率和视电阻率变化二维等值线图 Fig.9 Two-dimensional contour map of apparent frequency and apparent resistivity variation 3结 论 a. 聚焦效应扫描探测时， 探测电场空间电流密 度与电场线边界角久和距离的平方成反比，随主屏 流比系数的增加，电场线边界角久逐渐减小，当 时 ，久减小程度趋于平缓，当r 3 0m时，随 主屏流比系数先的增加，电流密度增加不明显。同 时受探测仪发射电流强度上限取值范围限制，实际 探测时主屏流比系数设定为1先2。 b. 偏转效应扫描探测时， 随着约束屏流比系数 免的增加，电场偏转角a逐渐增大，当 取 某 一 固 定值时，随着主屏流比系数的增加，电场偏转角 a增加不明显，说明电场偏转角a的偏转程度主要 取决于约束屏流比系数t同时受探测仪发射电流 强度上限取值范围限制，实际探测时约束屏流比系 数设定为 c. 工业性试验表明煤巷多点电流源双频激 电法超前扫描探测技术能有效识别工作面前方围 岩地质构造特征及低阻含水异常体的方向，但含 水异常体距工作面的准确距离和含水量的大小尚 . 156 .煤田地质与勘探第 45卷 需进一步研究，可根据实际异常地质构造资料库 的不断积累和激电效应参量数据通过反演方法进 行综合解释。 参考文献 [ 1 ] 程久龙， 李飞， 彭苏萍， 等.矿井巷道地球物理方法超前探测 研究进展与展望[J].煤炭学报，2014, 398 1742-1750. 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