矿井杂散电流“面-体”扩散机理试验研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N D 们E T A IL U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №6 D e c e m l e r2 0 1 3 矿井杂散电流“面一体“ 扩散机理试验研究① 李龙江1 ’2 ⋯，张覃1 ，2 一，黄小芬1 ’2 ’3 1 ．贵州大学矿业学院，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 ；2 ．贵州非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 ；3 ．贵州省优势矿产资源高效利用工程实 验室，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 摘要构建矿井杂散电流传播扩散的中试装置，建立矿井杂散电流“面．体”扩散模型，开发杂散电流“面．体”检测传感器，对杂散 电流的“面- 体”扩散机理进行研究，从而找出杂散电流的传播途径及衰减规律，为开发矿井杂散电流“面．体”检测仪器和对矿井杂 散电流的防治提供依据。 关键词矿井杂散电流；“面一体”扩散机理；数学模型 中图分类号T G l 7 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 0 7 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 0 2 4 0 4 E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nD 谢嘁伽M e c h a n i s mo fS t r a yC u r r e n tU n d e r g r o u n d L IL o n g - j i a n 9 1 2 ⋯，Z H A N GQ i n l ’2 ”，H U A N GX i a o ．f e n l ’2 ，3 1 ．M i n i n gC o l l e g e ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，G u i z h o u ，C h i n a ；2 ．T h eK e yU t i l i z a t i o nL a b o r a t o r yo f N o n m e t a l l i cM i n e r a lR e s o u r c e si n G u i z h o u ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，G u i z h o u ，C h i n a ；3 ．G u i z h o uP r o v i n c i a lE n g i n e e r i n g L a b o r a t o r yo fE f f i c i e n tU t i l i z a t i o no fA d v a n t a g e o u sM i n e r a lR e s o u r c e s ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，G u i z h o u ，C h i n a A b s t r a c t Ap i l o tp l a n th a sb e e ne s t a b l i s h e dt od e t e c tt h ed i f f u s i o no fs t r a yc u r r e n tu n d e r g r o u n d ，a n dad e t e c t i o ns e n s o r h a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nad i f f u s i o nm o d e lo fs t r a yc u r r e n tu n d e r g r o u n dt h a ti st r a n s m i t t e df r o mp l a n et os p a c e ，S Oa s t os t u d yd i f f u s i o nm e c h a n i s mo fs t r a yc u r r e n tt r a n s m i t t e di np l a n ea n ds p a c ed i r e c t i o n ．T h et r a n s m i s s i o nr o u t ea n d a t t e n u a t i o nl a wf o u n df o rt h es t r a yc u r r e n tu n d e r g r o u n dc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n gap r o p e rd e t e c t o ra n d p r e v e n t i n gs t r a yc u r r e n tu n d e r g r o u n d ． K e yw o r d s s t r a yc u r r e n tu n d e r g r o u n d ；d i f f u s i o nm e c h a n i s m ；m a t h e m a t i c a lm o d e l 矿井杂散电流是指在矿井巷道土壤里按非规定线 路流动的电流。杂散电流源产生于架线电机车及机车 用电输配线路、水泵或通风机的供电线路。架线电机 车和轨道接触，轨道和土壤接触，其馈电流形成机车- 轨道．土壤回路而形成非规定线路流动的杂散电流；铺 设在掘进巷道的侧壁的输电线路若有破损点，破损点 处与土壤接触，电流也会流人土壤形成非规定线路流 动的杂散电流。研究发现，杂散电流流入土壤的点称 为杂散电流阴极区，流出土壤的点为杂散电流阳极区。 矿井杂散电流一旦产生，将严重威胁井下人员的生命 安全和设备安全⋯。杂散电流阳极区在岩体、支架及 电缆外皮中的流动，会造成井下支架、电缆外皮的电化 学腐蚀；可引起电火花，导致瓦斯和煤尘爆炸；可干扰 井下电气设备的正常运行；会造成电雷管的先期引爆。 为了更好地防治杂散电流，必须研究矿井杂散电流的 传播机制及防治方法。矿井巷道相对湿度大，巷道土 壤电阻率变化不均匀，巷道土壤种类多样，导致了杂散 电流在矿井里的传播途径复杂化，影响多元化，其大 小、方向随时间、地域、季节、温度和湿度的变化而变 化心j 。杂散电流扩散到井下巷道和铁轨接触的土壤， 以怎样的方式作用于矿井内金属构筑物，又以怎样的 方式进行扩散和衰减，是杂散电流研究的热门话题。 对杂散电流传播机制的传统研究中，仅仅局限于“点” 和“线”的研究∞。6J 。“点”研究是把杂散电流的传播 与扩散看作是在一点上流人和流出，在金属构筑物上 焊接导线接人高阻抗数字万用表的直流负极端，再用 饱含铜／硫酸铜参比电极插入土壤并接人数字万用表 的正端，来测量金属的对地电位，并以此来判断杂散电 流的大小。“线”传播是把杂散电流的传播看作为一 个线元，杂散电流会沿着某条假想的线传播 比如沿 着金属构筑物平行的方向以线的方式传播并与金属构 筑物作用，此时用两个相同的饱和铜／硫酸铜参比电极 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 2 7 基金项目教育部春晖计划项目 Z 2 0 0 7 一卜5 2 0 0 9 作者简介李龙江 1 9 7 9 - ，男，贵州毕节人，副教授，博士研究生，主要研究方向为矿物材料自动化控制及风险评估。 万方数据 第6 期李龙江等矿井杂散电流“面一体”扩散机理试验研究 来检测两点的地电位梯度来判断杂散电流对金属构筑 物的影响r 7 。1 0 J 。传统方法不能解释杂散电流传播的空 间性和多样性，必须对杂散电流进行“面一体”的研究。 为了研究矿井杂散电流的“面一体”传播途径，必须模拟 矿井杂散电流的发生机制，建立杂散电流扩散检测的 中试装置，构建杂散电流传播的数学模型，研究杂散电 流“面一体”扩散的机理。 1 矿井杂散电流“面一体”扩散研究 1 ．1 建立检测中试基地 为了研究矿井杂散电流的传播途径及作用机理，建 立杂散电流传播检测的中试装置。在野外选取5 0m 长 和2 5m 宽的开阔地，建立如图1 所示的矿井5 0m 轨道 运行环境，图1 中，两根铁轨长度为5 0m ，宽为1 ．5m ， 并在两条铁轨上布置拖煤小车，小车的牵引机车功率为 5k W 。土壤环境为矿井巷道一般环境，土壤为非均质黄 土，偏酸性，p H 值为6 ．2 - 7 ，平均电阻率为10 0 0Q m ， 相对较低，土壤湿度为6 5 ％～7 5 ％，在铁轨中央设置若 干测试桩，测试桩引线一端与钢质铁轨相连并接人数 字万用表负极，饱和硫酸铜参比电极引线接人数字万 用表正极，用双路直流稳压电源和交流变压器模拟杂 散电流信号源，其正极和负极用两个碳钢Q 2 3 5 电极 插入土壤，通过改变钢电极l 和钢电极2 的相对位置 来确定杂散电流的流人点和流出点，用智能型杂散电 流仪连接两个饱和铜／硫酸铜参比电极测量金属构筑 物的对地电位和地电位梯度。 V 审 9可可 V 可 ’ 图1矿井杂散电流扩散衰减试验模型 根据轨道环境实际和轨道周边可能出现的杂散电 流流动形式，双电极给电方式将产生很大的杂散电流 在铁轨所在的土壤中传播。双电极给电有两种方式 方式1 杂散电流的引入端和引出端都不接触轨 道，杂散电流的正极电流流向轨道阳极端的土壤，负极 从轨道阴极端的土壤流出。模拟的实际环境为直流源 电缆断路故障，电流正端搭接其它金属构筑物流入轨 道阳极端土壤，再从土壤流出，搭接负端金属构筑物流 回电缆构成回路，金属轨道铺设在与回路平行的上方。 方式2 杂散电流的引入端和引出端都不接触轨 道，杂散电流的正极电流流向轨道阴极端的土壤，负极 从轨道阳极端的土壤流出。模拟的实际环境为直流源 电缆断路故障，电流正端搭接其它金属构筑物流入阴 极端土壤，再从土壤流出，搭接负端金属构筑物流回电 缆构成回路，金属轨道埋设在与回路平行的上方。 模拟矿井运输过程中可能的杂散电流源头，强加 杂散电流源，在不同的杂散电流源作用下，用多重对地 电位传感技术，在不同的立体空间点布置相同的若干 个饱和铜／硫酸铜参比电极，同时检测轨道金属对地电 位及相邻两个参比电极之间的地电位梯度。 1 ．2 建立多重传感检测模型 为了在不同深度空间检测到矿井杂散电流值，设 计双路电压检测传感器，如图2 所示，双路电压检测传 感器根据现场需求不同设置为0 ．8 1 ．5m 长，下端为 圆锥头结构，便于插入土壤中，中部为中空型圆筒，圆 筒内设置导轨，电压传感器探头可以在圆筒内上下移 动，在信号输出点设置金属丝导向线，固定在电压传感 器探头上，可以手动调节两个电压传感器的相对位置。 信号输出点为两路输出，输出端的正负极接人智能型 杂散电流仪的通道1 和通道2 中。双路电压检测传感 器按照图1 的方式进行圆形布置，插入土壤当中，形成 交叉杂散电流电压感应群。 图2 双路电压检测传感器 试验过程中，调节双路直流稳压电源输出电压和 交流变压器的交流输出值，调节两支钢电极的相对位 置，并不断变换每一个双路电压检测传感器的相对位 置，参比电极群按椭圆形式布置，其横向和纵向的距离 进行等距离的扩大或者缩小。通过智能型杂散电流仪 检测轨道对地电位的大小和方向。 2 传播机理研究 2 ．1 矿井杂散电流的面传播 在研究矿井杂散电流在一个平面上传播时，调整 图2 所示的双路电压传感器探头，把2 个探头调至一 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 点上，并保证所有的双路电压传感器插入土壤的深度 一致，测量的对地电压才能看出其扩散与衰减方向。 如图3 所示，首先用密间隔法测量轨道的自然对地电 位。然后取平行对地电位c o l 和d 0 2 的平均值作为轨 道的最终对地电位，测量管地时，要读出每个数值的轨 道正负电位，正负管地电位的平均值计算公式为 ∑K y 三l _ 1 n 式中y 为规定的测试时间里正负管地电位的平均 值；∑K 为分别计算的正负电位各次读数的总和； ／ t 为规定的测试时间段的读数总次数。 图3 面检测机理模型 对于平面杂散电流方向的判定，需要测试图3 中的 a b 和c d 的地电位梯度，在测试中，如果电压表的读数符 号不发生变化，可按式 1 分别计算a b 和c d 的地电位 梯度平均值；如果在测试的过程中干扰源较复杂，电压 表读数符号发生变化，则需要将读数分成[ 圪。 ，屹 ] ， [ K 。 ，K 。一] ，[ K 。一，K 。 ] ，[ ％一，K 。一] 4 种读数组合，再 分别计算4 种组合中的K 。 ，圪。 一 ，K 。 ，％ 一 的平均值。 建立直角坐标系，使纵横两轴分别与a b ，c d 相对 应，将计算出来的读数或读数组合的平均值分别计人 坐标中，然后利用矢量合成法，分别求出各自的矢量 和，从而计算出杂散电流的方向。通过实验得出，在平 面上，杂散电流对轨道土壤产生环状等势电位，在同一 电位上把每个等势点连接起来便形成等势线。等势线 围成若干个等径圆，等势线的形状和两个钢电极的相 对位置有关，如果土壤电阻率一致，随着两个电极之间 的距离增大，其等势线由圆形逐渐向椭圆型变化，且两 个等势圆之间的距离越来越大，土壤电阻率越大，两个 等势圆的距离越大，反之则越小。相邻两个等势圆间 的距离会随着曲率半径的增大成等差数列增大。如果 土壤电阻率变化差异大，则在土壤电阻率大的地方，等 势圆相对密集，在土壤变化率小的地方，等势圆相对稀 ／／二 ■、、∥℃ 、≤g 复，莺 2 ．2 矿井杂散电流扩散空间 在研究矿井杂散电流在立体空间传播时，调整图 2 所示的双路电压传感器探头，把两个探头按照不同 的深度调节，每个传感器在空间构成一个立体检测网 络，测出每个探头的对地电位差，通过实验得出，在立 体空间，可以检测到不同半径的空间等势椭球。同样， 对均匀土壤电阻率的地方，等势椭球半径均匀，在空间 呈发散状等势分布，在空间的某一侧，土壤电阻率大的 地方，其等势椭球面越密集，反之则越稀疏。其经线和 纬线的形状完全取决于两个钢电极之间的相对位置及 插入土壤的深度，其等势球如图5 所示。 口玉．o 蠢j h ．1 0 ．5 d b 刊- a ； ＼＼．jH 、 ＼、J 一一 一3 d b ， 、 ， { ．1f ／一 ．2 0＼ 6 d b ．、1，． ／／ 、I 』一 一9 d b ，、．NZt ， ， l2 dI 一 王l t少／■ ／ ．．一5 一、。 r ， ；，Z易∥ ／礁 ／，。可 舞 ≯ ， 掣二 ， n 一一 l o r L t ≤；， 嘻一 一 ；l ‘．11 l一 一气 - 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1 1 0 4 ／T D ，国际标准刊号I S S N 0 2 5 3 - 6 0 9 9 ，邮发代号4 2 5 8 。真诚欢迎新、老订 户向全国各地邮局订阅本刊，也可直接向编辑部订阅。定价1 0 元，全年6 0 元。 矿冶工程编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务，欢迎各企事业单位来电来函联络。 地址湖南省长沙市麓山南路9 6 6 号矿冶工程编辑部联系人黄小芳 邮编4 1 0 0 1 2开户名称长沙矿冶研究院有限责任公司 电话 0 7 3 1 8 8 6 5 7 0 7 0 ／8 8 6 5 7 1 7 6 ／8 8 6 5 7 1 7 3开户银行长沙市工商银行左家垅分行 传真 0 7 3 lI8 8 6 5 7 1 8 6 帐号1 9 0 1 0 1 3 0 0 9 0 1 4 4 5 0 2 7 6 E m a i l k u a n g y e g o n g c h e n g z z 1 6 3 ．c o m 万方数据