矿用聚焦双频激电法电场扫描探测方法.pdf

第 4 1卷第9期 2 0 1 6年 9月 煤 炭 学 报 J OUR NAL O F C HI NA CO AL S OC I E T Y V0 I ． 4l No ． 9 S e p． 2 01 6 刘希高， 凌春晖， 刘志民， 等． 矿用聚焦双频激电法电场扫描探测方法[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 6 ， 4 1 9 2 3 8 8 - 2 3 9 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 6 ． 0 7 1 3 L i u X i g a o ， L i n g C h u n h u i ， L i u Z h i mi n ， e t a 1 ． F o c u s i n g d u a l 一 e q u e n c y i n d u c e d p o l a ri z a t i o n o n e l e c t r i c fi e l d s c a n n i n g me t h o d i n c o a l mi n e r o a d w a y [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 6 ， 4 1 9 2 3 8 8 ～ 2 3 9 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． i c e s ． 2 0 1 6 ． 0 7 1 3 矿用聚焦双频激电法电场扫描探测方法 刘 希高 ， 凌春晖 ， 刘志民 ， 张 金涛 ， 吕 一鸣 ， 周 游 ， 吴 淼 1 ． 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学 院， 北京1 0 0 0 8 3； 2 ． 河北工程 大学 机电工程学院 ， 河北 邯郸0 5 6 0 3 8 摘 要 为实现煤矿巷道超前探测， 提 出了一种基于双频激电法和电场扫描探 测理论的矿用聚焦双 频激电法超前探测技术。基 于共线点电流源的电力线方程理论 ， 推导煤矿巷道探 测电场边界 电力 线方程算法； 提出电场扫描探测策略， 分析了电场扫描探测的实际分辨率； 基于电介质边界条件， 根 据巷道地质结构模型推导电力线偏移向量求解公式， 分析 了地质异 常体对电力线的影响 。理论计 算表明 通过连续改变探测仪各通道电流强度， 探测电场扫描分辨率理论上可任意设定， 实际探测 由实际地质工况条件选定； 地质异常体的存在会影响电力线分布， 板状体的厚度越大或者围岩与板 状体之间的电阻率比值越大或者板状体倾角越大， 则电力线偏移 向量横 坐标与纵坐标的绝对值越 大 ； 通过 电场聚焦和偏转扫描探测 ， 可确定异常体的直径和方位 。 关键词 煤矿巷道 ； 超前探测 ； 聚焦双频激电法； 电场扫描 ； 探测分辨率 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 6 0 9 2 3 8 8 0 8 Fo c u s i ng d u a l f r e q ue n c y i nd uc e d po l a r i z a t i o n o n e l e c t r i c fie l d s c a nn i ng m e t ho d i n c o a l mi ne r o a d wa y L I U Xi g a o ， L I NG C h u n ． h u i ， L I U Z h i ． mi n ， Z HANG J i n t a o ， L 0 Yi ． mi n g ， Z HO U Yo u ， WU Mi a 0 1 S c h o o l o fMe c h a n i c a l E l e c t r o n i c＆I n f o r ma t i o n E n g i n e e r in g， C h i n a U n iv e r s i ty o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3． C h i n 8 2 ． Me c h n n c 0 z a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， H e b e i U n i v e r s i t y ofE n g i n e e n n g， H a n d a n 0 5 6 0 3 8 ， C h i n a Abs t r a c t To a c hi e v e a n a d v a n c e d d e t e c t i o n i n c o a l mi n e r o a d wa y ，a me t h o d c a l l e d f o c u s i ng d u a l f r e q u e n c v i n d uc e d p o l a r i z a t i o n me t ho d b a s e d o n d u a l f r e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n me t h o d a n d e l e c t r i c fie l d s c a nn i n g de t e c t i o n t h e o r y wa s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r ． Ba s e d o i l t h e t h e o r y o f c o l l i n e a r p o i n t c u r r e n t s o u r c e e l e c t r i c l i n e e qu a t i 0 n ．t he de t e c t i 0 n e l e c t r i c fi e l d b o u n d a r y e l e c t r i c l i n e e q u a t i o n s w e r e e s t a b l i s h e d a n d t h e c o mp l e t e a l g o r i t h m wa s d e r i v e d ．T he e l e c t r i c fi e l d s c a n n i n g d e t e c t i o n s t r a t e g y w a s p r o p o s e d a n d t h e a c t u a l r e s o l u t i o n o f e l e c t r i c fi e l d s c a n n i n g d e t e c t i o n wa s a n a ． 1 y z e d wi t h t h e bo u n d a ry e l e c t r i c l i n e e qu a t i o n． Ba s e d o u d i e l e c t r i c b o u n d a ry c o n d i t i o n s t h e o r y ．t h e 0 f fs e t v e c t 0 r o f t he e l e c t r i c l i n e wa s d e r i v e d a c c o r d i n g t o t h e r o a d wa y g e o l o g i c a l s t r u c t u r e mo d e l ，a n d t h e i n flu e n c e o f g e o l o g i c a l a n o n 1 a 1 v o n t h e e l e c t r i c l i n e wa s a n a l y z e d． Th e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s s h o w t ha t t h e d e t e c t i o n e l e c t r i c fie l d s e a nn i ng r e s 0 l u t i o n c a n b e s e t a r b i t r a r i l y b y c o n t i n u o u s l y c h a n g i n g t h e c u r r e n t a mp l i t u d e o f d i f f e r e n t c h a n n e l o f t h e d e t e c t o r t h e o r e t i c a l l v ．b u t i t i s s e t a c c o r d i n g t o a c t u a l d e t e c t i o n c o n d i t i o n s ． T h e e x i s t e n c e o f g e o l o g i c a l a n o ma l i e s wi l l a f f e c t t h e d i s t r i b u t i 0 n 0 f e 1 e c t r i c l i n e a n d t h e g r e a t e r o f a ， P l ／ p 2 a n d ≥9 0 。 一 ， t h e l a r g e r t h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e o f f s e t v e c t o r o f e l e c t r i c l i n e ． Th e s i z e a n d o r i e n t a t i o n o f t h e g e o l o g i c a l a n o ma l i e s c o u l d b e c a l c u l a t e d t h r o ug h e l e c t r i c fie l d d e fte c t i o n a n d f o c u ． s i n g c a n n i n g d e t e c t i o n ． 收稿日期 2 0 1 6 0 5 3 0 修回日期 2 0 1 6 0 7 2 0 责任编辑 许书阁 基金项目 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 2 0 1 1 0 0 2 3 1 1 0 0 0 8 ； 博士研究生拔尖创新人才培育基金资助项 目 0 0 8 0 0 0 1 5 Z 6 A I 作者简介 刘希高 1 9 8 8 一 ， 男， 山东潍坊人， 博士研究生。T e l 0 1 0 6 2 3 3 9 1 1 3 ． E - m a i l l x g a o 8 8 1 2 6 ． c o n l 第9期 刘希高等 矿用聚焦双频激电法电场扫描探测方法 Ke y wo r d s c o a l mi n e r o a d wa y； a d v a n c e d d e t e c t i o n； f o c u s i n g d u a l 一 e q u e n c y i n d uc e d p o l a r i z a t i o n me t h o d e l e c t r i c f i e l d s c a n n i n g； d e t e c t i o n r e s o l u t i o n 我国是世界上煤矿水害最为严重的国家之一 ， 水 害矿难对生命财产造成的损失在煤矿灾 害事故 中最 为突出 J ， 极大影 响了煤矿掘进 效率_ 2 J 。 目前煤 矿 巷道超前物探法 主要分为地震类 、 电磁法类和 电法 类 。现有物探方法不能理想地解决煤巷综掘超 前探测所面临的问题 。 为解决 以上探测方法存 在的缺陷 ， 张伟 杰 提 出了一种基于双频激 电法 和电场聚焦偏转效应 的 煤巷超前探测方法， 该 方法具有抗 干扰能力强 ， 方 向 性好 ， 对水体敏感度高等优点 。杜毅博等 和刘 志 民等 分别研制了基于该方法 的超前探测仪发射系 统和接收系统， 通过实 际探测证实可实现功能要求。 张金涛等 建立了煤巷超前探测灾害性含导水构造 双频激电法的解析数学模型， 提出了视幅频率数据快 速确定灾害性含导水地质构造的厚度及其距 掘进面 距离的方法 。刘志民等 搭建 了典型有害地质构造 等效阻容模 型， 利用动态电场激励法原理样机模拟测 试煤巷典型有害地质构造激 电效应特性 ， 得出视幅频 率和视电阻率值随测点距掘进断面变化规律 ， 进而判 断掘进断面前方有害地质构造性状。张伟杰等 提 出了电场约束效率概念 ， 研究 了电极参数与电场约束 效率之间的规律 ， 找 出了电极参数 的最佳范 围。然 而， 相关文献并没有从理论上深入研究电场扫描探测 方法。笔者聚焦双频激电法探测原理的基础上 ， 首先 建立了探测电场边界电力线方程 ， 并推导了完整的求 解算法 ， 提出了电场 扫描探测策略， 利用边界 电力线 方程分析了电场扫描探测的实际分辨率， 最后根据电 介质边界条件， 分析了地质异常体对电力线的影响。 1 探测原理 1 ． 1 基本原理 聚焦双频激电法超前探测系统包括激励信号发 射系统 以下简称发射系统 和激 电信号接收系 统 以下简称接 收系统 ， 如图 1所示。发射 电极 的 主电极 及约束电极 A 布置在巷道断面， 接地电 极 B布置在巷道后方无穷远处， 测量电极为 M N， 布 置在巷道后方， 电场分布如图2 所示。 发射系统可产生 5 路相互隔离、 单路幅值可调的 双频调制方波电流， 电流波形如图 3 a 所示 ， 电流频 率为 1 H z与 1 ／ 1 3 H z ， 2 H z与 2 ／ 1 3 H z ， 4 H z与 4 ／ 1 3 H z ， 8 H 2 与8 ／ 1 3 H z 中的任意一组， 其中1 路与主 电极连接， 另外4路与约束电极连接， 通过改变主电 激励信号发射系统 l ， 数据通信 殳 系统 激电信 号 接收系统 l 孚发射电极B 发射 电极A 约束电极A 煤矿井 F巷邀 测量电极M 测 量电极N 图 1 聚焦双频激电法超前探测系统 Fi g ．1 Fo c u s i n g du a l f r e q u en c y i nd u c e d p o l a r i z a t i o n a d v a n c e d d e t e c t i o n s y s t e m 图 2 聚焦双频激 电法 电场分 布 F i g ． 2 E l e c t r i c fi e l d d i s t r i b u t i o n o f f o c u s i n g d u a l f r e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n me t h o d 流与发射电流大小及 比值 ， 可在煤矿井下巷道前方产 生聚焦激励电场。 b 激 电电压信号 图 3 发射 电流 波形及激 电电压信号 F i g ． 3 W a v e f o r m o f e mi s s i o n c u r r e n t a n d I P s i g n a l 接收系统可产生双频 P WM驱动控制信号 ， ，控制发射系统产生 双频调制方波 电流 ， 通过发 射电极供入煤巷掘进面前方的煤岩； 同时接收系统测 量煤岩介质激发极化产生的电压信号， 如图3 b 所 示， 通过信号处理获得激电电压幅值 △ 和 △ 及 相位差 和 ， 计算激电效应参量视电阻率P 、 视 幅频率 、 视相频率 ， 如式 1 ～ 3 所示。 1 煤 炭 学 报 2 0 1 6 年第4 1 卷 F 。 。％ 旦 。 。％ 2 1 0 0 ％U U 3 L j J 一 L 1 ． 2 方法特点 聚焦双频激电法基 于双频激 电法和 电场聚焦偏 转效应。双频激电法优势在于可消除巷道空腔对探 测结果 的影 响 以及 消 除对 激 电参数相 同的干扰 因 素 。电场聚焦偏转效应 的特点在于相应视 幅频率 数据的变化规律可以分别反演异常体厚度和掘进断 面的距离两个关键参数 ， 通过电场扫描探测可确定异 常体 的直径和方位。 1 消除巷道影响。 聚焦双频激 电法 的特点之一是可以消除巷道影 响。岳建华等 通过物理模型实验和数值模拟研 究 了巷道空间对井下 电流场的影响， 提出了巷道影响 系数 的计算公 式 ， 并指 出巷 道空间影响下 的视 电 阻率与全空间视电阻率满足如下关系。 P 4 ， 式中， P ； ， Jp m 分别为全空间与实测视电阻率。 本文提出的聚焦双频激 电法 电极布置方式满 足 文献[ 1 4 ] 的电极布置规律， 故满足式 4 。将式 4 代入式 2 ， 可得表达式 5 。因此 ， 矿用聚焦双频激 电法可消除巷道空腔对探}贝 0 结果以及对激电参数相 同的干扰因素的影响。 F 二 1 0 0％ p 二 1 0 0 ％ f 5 2 电场扫描探测 。 文献[ 1 5 ] 在双频激 电超前探测模型基础上 ， 依 据电场叠加原理建立 了三极和五极聚焦条件下测点 电位的频率域解析数学模型， 研究了两种条件下用二 极装置跑极超前探测灾害性含 、 导水体 ， 陷落柱和断 层时， 利用相应的视幅频率数据的变化规律可以分别 反演异常体厚度和掘进断面的距离两个关键参数。 然而， 该研究仅分析了电场聚焦时探测规律， 而通过 电场聚焦无法实现巷道前方地质异常体扫描探测与 方位判断。 本文提出的方法通过电场聚焦扫描和偏转扫描 探测， 基于发射系统可产生 5路相互隔离、 单路幅值 可调的双频调制方波电流， 通过电场扫描探测可确定 异常体的直径和方位， 具体探测方法将在后文中进一 步论述 。 2 电场方程 矿用聚焦双频激 电法 的工作频 率在 1 O ～ ～ 1 O H z ， 故发射电流可形成稳定电流场 。根据电场 理论 ， 稳定 电流场满足以下基本方程式 。 E旦 l P { d i v -j 『 0 6 E a d 一 式 中， 为介质 电导率 ； p为介 质电阻率 ； 为 电流密 度 ； 为电场强度 ； U为电位函数。 在电法勘探 中， 稳定 电流场 中的电位 函数 所 满足的微分方程为 △ V O y 2 。 7 电极在巷道断面布置如图 4所示。主电极 A 位 于掘进断面的中心位置 ， 4个约束 电极 A ～A 排列 在主 电极 四周。设通过 电极 A 。 ， A ， A 且 与掘进 断 面的垂直平面为 O L ， 通过电极 A 。 ， A 。 ， A 且与掘进断 面的垂直平 面为 JB ， 与 相互垂直。电极 A 。一A 电流分别为 ， 0 一， 4 。对于平面 上一点 P， 当 1 3 ， 4 时 ， 电极 A 。 和 A 在点 P的电场强度在垂直于平 面 方向的分量为 0 ， 电极 A 。 ， A 和 A 在点 P的电场强 度沿平面 ， 故点P场强方向与平面 O L 平行， 故通过 分析电极 A 。 ， A 和 A 的电场分布情况可反映整个 电极系在空间的电场聚焦偏转情况。 约 束 电 极 A． 约 |泉电极A 约 柬 } 乜 极 A2 约 柬 电檄A。 图4 巷道断面电极布置 F i g ． 4 Ar r a n g e me n t o f e l e c t r o d e s o n t h e r o a d wa y s e c t i o n 建立如图5所示直角坐标系， 轴方向为巷道掘 进方向， Y 轴方向为掘进断面方向， 电极坐标为A 0 ， O ， A 0 ， d ， A 0 ， 一 d 。距离掘进断面 戈的探测断 面上 P点坐标为 ， Y ， 定义 P A 。 r 。 ， P A r ， P A 1 “ 2 0 根据点电流源的全空间电场， 各电极在点 P的 电势分别为 。 ， 。 和 ， 表达式如式 8 所示。 第 9期 刘希高等 矿用聚焦双频激电法电场扫描探测方法 2 3 9 1 ● A l 0 ， ‘ 生 ／P x 一 』 4 o O ，o ． A 2 O ， ‘ x 图 5 巷 遭掘进方 向坐标 系 F i g ． 5 Co o r d i n a t e s y s t e m o f r o a d wa y d r i v i n g d i r e c t i o n ㈩ 【 ， P 。 1 2 式 中，r 0 y ；r 1 y d ；r 2 y ； I o ， 1 ／ k l 1 2 ／ k 2 。 电场强度与电势满足拉普拉斯方程， 此外电场强 度满足矢量叠加原理， 故点 P处电场满足式 9 。 E -g r a d 一 ＼ O U e O a y U e f9 1．E E E 根据式 9 ， 可求得 和E p y 的表达式为 等 r2 ] ] ， 4 r [ r o 1 0 3 巷道边界电力线方程 3 ． 1 电力线方程 文献[ 1 6 1 8 ] 分别通过直接积分和高斯定理推 导了共线点电荷系电场的电力线方程 ， 根据点电荷与 点电流源的相似性， 笔者利用文献[ 1 6 ] 的高斯定理 方法推导了共线点 电流源 的电力线方 程。根据图 5 建立的坐标系， 此时点 P的电力线方程为 _ _ 二 c Y Y d ／ x Yd 1 1 考虑到各个电极电流满足关系 ， 0 ， 。 ／ k 。 1 2 ／ k ， 式 1 1 可化简为 ． 二 c Y Yd Yd 1 2 对于共线点电流源的电力线分布问题， 主要求解 步骤 墙 如下 1 找出中性点坐标。 中性点是指电场强度为 E 0的点， 通过中性点 的电力线 ， 将静电场空间划分 为几个 区域 ， 该 电力线 即为各区域的分界线。 2 求解积分常数。 根据中性点坐标， 求通过中性点电力线积分常数 C的数值 。 3 求解电力线方程。 根据电力线方程的积分形式， 求通过中性点的电 力线 。 3 ． 2中性点坐标求解 对于图 5的电极分布， 中性点位于 Y轴， 故满 足 x 0 ， E f 0 。 吣 4 r L r o 1 3 当k 。 k 时， Y轴上的中性点仅有 1 个 ， 位于坐 标原点； 当 尼 。 ≠ 时， Y 轴上的中性点存在 2 个， 分别 位于Y 轴正负半轴， 坐标范围分别是0 y d和- d y 0。 当中性点位于 Y 轴正半轴， E l 删 0 化简为 1 一 k， k 1 而 赢 0 1 4 当中性点位于Y 轴负半轴， E l 0 化简为 - 1 y d志 Y d 。 1 5 y 。 一 。 在给定 k 。 ， k 和d的值后， 方程 1 4 与 1 5 为一 元四次方程， 此时求解上述方程可得中性点坐标数值 解。 3 ． 3 积分常数求解 根据前述 ， 中性点位于 电场边界 电力线上 ， 将其 坐标 P 0， Y 代人电力线方程 ， 可得 Y Y d d c ， l l ’ l J 。 l y I u 当中性点位于Y 轴正半轴， 令积分常数为 c ， 化 简可得式 1 7 。根据 k 。 和k 的不同数值， 可得对应 积分常数 C 。 1一k 1 k 2C l 1 7 当中性点位于 Y轴负半轴 ， 令积分常数为 c ， 化 简可得式 1 8 。根据 k 。 和 的不同数值 ， 可得对应 积分常数 C 。 一 1一k 1k 2C 2 1 8 3 ． 4 电力线方程求解 当积分常数为 c 。 时， 当给定点 P ， Y 。 的横坐 标时， 可根据电力线方程 1 2 得到点 P纵坐标Y 0 Y 。 d 的数值解； 当积分常数为 C 时， 当给定点 P ， y 2 的横坐标时， 可根据电力线方程 1 2 得到点 P纵 煤 炭 学 报 2 0 1 6 年第4 1 卷 坐标 Y - d y 1 9 0 。 _ 越大， 则 电力线偏移 向量横坐标与纵坐标 的绝对 值越大。 参考文献 [ 1 ] 武强． 我国矿井水防控与资源化利用的研究进展问题和展望 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 4 ， 3 9 5 7 9 5 8 0 5 ． Wu Q i a n g ． P r o g r e s s ， p r o b l e ms a n d p r o s p e c t s o f p r e v e n t i o n a n d c o n - t ro l t e c h n o l o g y o f m i n e w a t e r a n d r e u t i l i z a t i o n in C h i n a [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c ie t y ， 2 0 1 4 ， 3 9 5 7 9 5 8 0 5 ． [ 2 ] Wa n g J i n h u a ． D e v e l o p m e n t a n d p r o s p e c t o n f u l l y m e c h n i z e d m i n i n g i n C h i n e s e c o a l mi n e s 『 J ] ． I n t e r n a t i o a l J o u rnal o f C o a l S c i e n c e＆ O 8 6 4 2 O 2 4 6 m／ 喇运潍堡 第9期 刘希高等 矿用聚焦双频激电法电场扫描探测方法 2 3 9 5 T e c h n o l o g y ， 2 0 1 4 ， l 3 1 5 3 2 6 0 ． [ 3 ] 刘盛东， 刘静， 岳建华． 中国矿井物探技术发展现状和关键问题 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 4 ， 3 9 1 1 9 2 5 ． L i u S h e n g d o n g， L i u J i n g， Yu e J i a n h u a ．De v e l o p me n t s t a t u s a nd k e y p r o b l e ms o f C h i n e s e m i n i n g g e o p h y s i c a l t e c h n o l o g y [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 4 ， 3 9 1 1 9 2 5 ． [ 4 ] 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 ] ． 地下空间与工程学报 ， 2 0 1 3， 9 1 1 3 5 1 4 0 ． Z h a n g Pi n g s o n g ， Li Yo n g s h e n g， Hu Xi o n g wu． Ap p l i c a t i o n a n d d i s - 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