基于雙頻激電法的煤巷綜掘超前探測(cè)系統(tǒng)研究＊

張維振 杜毅博 張偉杰，2 吳 淼

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京），北京市海淀區(qū)，100083；2.華北科技學(xué)院機(jī)電工程系，河北省三河市，065201）

基于雙頻激電法的煤巷綜掘超前探測(cè)系統(tǒng)研究＊

張維振1杜毅博1張偉杰1，2吳 淼1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京），北京市海淀區(qū)，100083；2.華北科技學(xué)院機(jī)電工程系，河北省三河市，065201）

提出了一種基于雙頻激電法的煤巷綜掘超前探測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)煤巷掘進(jìn)前方地質(zhì)異常的探測(cè)，利用巷道中現(xiàn)有錨桿作為電極，向掘進(jìn)區(qū)域發(fā)射雙頻電流，通過分析區(qū)域內(nèi)介質(zhì)的激發(fā)極化信息判斷掘進(jìn)前方隱伏的地質(zhì)構(gòu)造，采用角度掃描和深度掃描方式確定異常體的位置。該系統(tǒng)可與掘進(jìn)機(jī)配合使用，且具有探測(cè)速度快、精高度，實(shí)時(shí)性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

掘進(jìn)工作面 超前探測(cè) 激發(fā)極化 雙頻激電法 角度掃描 深度掃描

“有掘必探，先探后掘”是煤礦掘進(jìn)必須遵循的原則。隨著井下掘進(jìn)設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，掘進(jìn)效率不斷提升，目前的超前探測(cè)水平難以滿足快速、高效掘進(jìn)的要求，“探、掘”矛盾已成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的一大難題。 “探、掘”矛盾在于尚未有一種成熟有效的物探方法及設(shè)備能較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)掘進(jìn)前方隱伏的地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而保障掘進(jìn)工作安全、快速進(jìn)行。

目前煤礦井下采用的超前探測(cè)方法大多是井上物探方法在井下的變相應(yīng)用，通常采用的探測(cè)方法包括瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法和地震波法等，但這些方法要實(shí)現(xiàn)煤礦井下的超前探測(cè)，仍存在探掘分離、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低等一系列問題，并且煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，所以下井電氣設(shè)備必須滿足防爆要求，這對(duì)設(shè)備的電氣參數(shù)有更為嚴(yán)格的限制。

因此，研發(fā)適用于煤礦井下超前探測(cè)技術(shù)與設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于雙頻激電法的煤巷綜掘超前探測(cè)系統(tǒng)采用了雙頻激電法探測(cè)技術(shù)，對(duì)煤巷中含水地質(zhì)構(gòu)造、斷層、陷落柱等地質(zhì)異常有很好的探測(cè)效果，并且該系統(tǒng)受煤巷中復(fù)雜環(huán)境和機(jī)械設(shè)備的影響較小，更適合煤巷地質(zhì)異常的超前探測(cè)。

1 雙頻激電法原理

雙頻激電法是基于巖石的激發(fā)極化 （Induced Polarization）現(xiàn)象，地下巖體在人工電場(chǎng) （一次電場(chǎng)）作用下會(huì)發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)過程，形成一個(gè)隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)的極化電場(chǎng) （二次電場(chǎng)），他們的疊加稱為總場(chǎng)。

為了獲得明顯的激發(fā)極化效應(yīng)，雙頻激電法采用兩個(gè)不同頻率的電流來激發(fā)，如圖1所示，通過發(fā)射電極A、B向地下供入高、低頻混合電流，低頻電流使探測(cè)區(qū)域內(nèi)介質(zhì)充分激發(fā)，測(cè)得低頻電位差ΔVL中含有足夠的二次場(chǎng)電位，而高頻電流使介質(zhì)來不及極化，測(cè)得高頻電位差ΔVH接近于一次場(chǎng)電位。高、低頻電位差全部包含于測(cè)量電極M、N所測(cè)電位差ΔVMN中。

圖1 雙頻激電法探測(cè)示意圖

PFE值可有效反映探測(cè)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的極化程度。巖體性質(zhì)影響巖體極化率高低，如果地下巖體存在如金屬、水體等易極化地質(zhì)構(gòu)造，測(cè)得的PFE值將比未含異常體時(shí)高，從而可判斷異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在。

雙頻激電法一般采用中梯裝置進(jìn)行探測(cè)，測(cè)量電極MN在AB中間的三分之一地段逐點(diǎn)測(cè)量，計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)處PFE值，并繪制PFE值曲線。根據(jù)PFE值及其變化趨勢(shì)，可以判斷出探測(cè)區(qū)域

雙頻激電法將ΔVMN中的高、低頻電位差分離，用二次場(chǎng)電位差與總場(chǎng)電位差的百分比PFE（Percent Frequency Effect）值來表征上述激發(fā)極化現(xiàn)象，定義為：內(nèi)隱含的地質(zhì)構(gòu)造的大致位置。

2 雙頻激電法在煤礦井下的應(yīng)用

雙頻激電法主要用于野外對(duì)金、銀等貴金屬和銅、鉛、鋅等有色金屬礦產(chǎn)資源的勘查和地下水資源勘查，其探測(cè)方向向下，而煤巷的超前探測(cè)，異常體位于掘進(jìn)的前方，需向前探測(cè)，所以煤巷綜掘超前探測(cè)系統(tǒng)采用二極裝置的變形形式，如圖2所示。

圖2 二極裝置示意圖

二極裝置的特點(diǎn)是供電電極B和測(cè)量電極N均位于巷道后方 “無窮遠(yuǎn)”處，無窮遠(yuǎn)是相對(duì)概念，指相對(duì)于A極電位小到可以忽略的位置。通過移動(dòng)AM電極進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，以確定異常體位置。

二極裝置在煤巷超前探測(cè)應(yīng)用的示意圖如圖3所示，發(fā)射電極A向探測(cè)區(qū)域發(fā)射雙頻電流，形成探測(cè)電場(chǎng)，異常體在電場(chǎng)的激勵(lì)下會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，極化信息被反映在兩測(cè)量電極MN所測(cè)電位差ΔUMN中，通過分析PFE值曲線就可以判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)隱含的地質(zhì)構(gòu)造和其大致規(guī)模。

圖3 二極裝置在煤巷超前探測(cè)應(yīng)用示意圖

3 煤巷綜掘超前探測(cè)系統(tǒng)及其方法

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于雙頻激電法的超前探測(cè)系統(tǒng)主要用于煤巷掘進(jìn)面的超前探測(cè)，其組成如圖4所示，主要由煤巷綜掘超前探測(cè)儀、液壓式探測(cè)發(fā)射電極、多個(gè)約束電極和接地電極組成。

其中，超前探測(cè)儀包括發(fā)射模塊和接收模塊兩部分，發(fā)射模塊通過電極發(fā)射雙頻電流；接收模塊接收和處理極化信息并判斷前方地質(zhì)構(gòu)造異常情況；探測(cè)電極的作用是向前方圍巖發(fā)射雙頻電流，在圍巖中形成探測(cè)電場(chǎng)；約束電極的作用是發(fā)射與探測(cè)電極同頻電流，在圍巖中形成約束電場(chǎng)，利用電場(chǎng)同極性相斥的原理改變探測(cè)電場(chǎng)原來的傳播方向，使其方向可以控制。接地電極的作用是使電場(chǎng)形成回路。

3.2 電極布置形式

如圖4所示，探測(cè)電極安裝在液壓缸活塞缸桿端頭，液壓缸缸體固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，探測(cè)時(shí)，活塞桿伸出，將發(fā)射電極插入待測(cè)區(qū)域煤巖的幾何中心位置。8個(gè)約束電極以探測(cè)電極為中心，呈正四邊形插入待測(cè)區(qū)域煤巖中。接地電極放置于掘進(jìn)巷道后方 “無窮遠(yuǎn)”處，考慮到煤礦井下的安全掘進(jìn)距離，接地電極可置于掘進(jìn)巷道后方70～80 m處，此時(shí)接地電極可視為 “無窮遠(yuǎn)”。

圖4 約束電場(chǎng)法煤巷機(jī)載超前探測(cè)系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)探測(cè)方法

在電極布置好之后，探測(cè)儀發(fā)射模塊通過探測(cè)電極和約束電極發(fā)射同頻率的雙頻合成波電流，分別在掘進(jìn)待測(cè)區(qū)域介質(zhì)中形成探測(cè)電場(chǎng)和約束電場(chǎng)，探測(cè)電場(chǎng)在約束電場(chǎng)的作用下向前傳播，前方介質(zhì)在電場(chǎng)的激勵(lì)下會(huì)發(fā)生極化效應(yīng)。

發(fā)射電極同時(shí)也作為測(cè)量電極，探測(cè)儀接收模塊接收測(cè)量電極和接地電極間的極化信息。通過對(duì)極化信息進(jìn)行放大和濾波處理，分離其中的高、低頻電位差成分，利用公式 （1）計(jì)算PFE值并繪制PFE值曲線。根據(jù)PFE值及其變化趨勢(shì)，從而判斷掘進(jìn)前方是否存在含水地質(zhì)構(gòu)造、斷層、陷落柱等地質(zhì)異常。

3.4 系統(tǒng)半空間掃描探測(cè)的實(shí)現(xiàn)

有害地質(zhì)構(gòu)造可能不僅存在于掘進(jìn)正前方，還可能存在于頂、底板或側(cè)幫處，所以超前探測(cè)要對(duì)掘進(jìn)前方整個(gè)半空間實(shí)現(xiàn)掃描探測(cè)。掃描探測(cè)包括深度掃描和角度掃描，深度掃描確定異常體距離，角度掃描確定異常體偏離正前方的角度，從而確定異常體的確切位置和大小。

在約束電場(chǎng)的作用下，探測(cè)電場(chǎng)形成喇叭口的形狀向前傳播，當(dāng)8個(gè)約束電極的電流強(qiáng)度相等時(shí)，每個(gè)約束電極產(chǎn)生的約束電場(chǎng)對(duì)探測(cè)電場(chǎng)的約束作用都相同，探測(cè)電場(chǎng)的傳播方向?yàn)檎胺剑鐖D5（a）所示，極化信息被包含在喇叭口探測(cè)的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)增大全部電極的電流強(qiáng)度，探測(cè)范圍逐漸由1增加到2的位置，以此實(shí)現(xiàn)了超前探測(cè)的深度掃描。

當(dāng)增大某一側(cè)約束電極的電流強(qiáng)度時(shí)，探測(cè)方向偏向該側(cè)電極相反的方向；當(dāng)增大四邊形兩條相交邊上約束電極電流強(qiáng)度時(shí)，探測(cè)方向偏向其對(duì)角的方向。通過調(diào)節(jié)各約束電極電流強(qiáng)度大小，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)角度方向的偏轉(zhuǎn)，如圖5（b）所示，以此方式實(shí)現(xiàn)了超前探測(cè)的角度掃描。

圖5 深度掃描和角度掃描示意圖

通過發(fā)射模塊對(duì)探測(cè)電極和約束電極的聯(lián)合控制，就可以實(shí)現(xiàn)深度掃描和角度掃描的結(jié)合，即超前探測(cè)的半空間掃描。通過半空間掃描可以獲取掘進(jìn)面前方地質(zhì)構(gòu)造的全部激發(fā)極化信息，從而判斷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造。

4 模型試驗(yàn)研究

針對(duì)煤礦井下工作環(huán)境特點(diǎn)研發(fā)了煤巷綜掘超前探測(cè)儀的原理樣機(jī)系統(tǒng)。儀器系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

（1）系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊 （微處理器、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射電路）、智能采集儀、電纜以及電極等組成，電極布置在模擬巷道的掘進(jìn)面上。

（2）發(fā)射模塊的主要特色是實(shí)現(xiàn)了恒流發(fā)射雙頻電流，供電電流范圍為1～50 m A。

（3）智能采集儀可實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)的接收、濾波處理和實(shí)時(shí)顯示。

4.1 含水?dāng)鄬訉?shí)驗(yàn)臺(tái)

為了對(duì)實(shí)際工程中的雙頻激電法超前探測(cè)進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)了以實(shí)際掘進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造為模型，縮小一定比例的含水?dāng)鄬拥刭|(zhì)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)分為磚壘箱體、異常箱體和巷道模型3個(gè)部分。可從磚壘結(jié)構(gòu)中推出，箱體內(nèi)介質(zhì)可進(jìn)行更換。發(fā)射電極和約束電極布置在巷道模型前端的掘進(jìn)面上，無窮遠(yuǎn)電極布置在巷道后方3 m處。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）將異常箱體分別裝入含水石英砂和砂土做為異常地質(zhì)構(gòu)造，比較兩種情況下極化電位差變化。

（2）將一含水海綿埋入掘進(jìn)前方某一位置，采用角度掃描的方式，探測(cè)電場(chǎng)的軸線以掘進(jìn)前方磚壘箱體左壁為起點(diǎn)，逐步向右壁進(jìn)行掃描，從而確定異常體位置。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和分析得到有、無異常體時(shí)電位差對(duì)比曲線和角度掃描過程中的電阻率變化曲線，如圖7和圖8所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）在異常箱體中加入砂土視為沒有異常地質(zhì)構(gòu)造，加入含水石英砂視為含水?dāng)鄬拥刭|(zhì)構(gòu)造，如圖7中曲線所示，兩種情況下的極化電位差有明顯變化，說明采用此種方法可確定異常地質(zhì)構(gòu)造的存在。

圖6 含水?dāng)鄬訉?shí)驗(yàn)臺(tái)

磚壘箱體中裝入砂土作為圍巖材料。異常箱體中裝入含水石英砂作為含水?dāng)鄬樱涞籽b有滑輪，

（2）采用角度掃描的方式，可確定異常地質(zhì)構(gòu)造的大致位置，如圖8中曲線所示，探測(cè)電場(chǎng)形成喇叭口在同一平面內(nèi)從左到右掃描，電阻率不斷變化，電阻率最低的位置即為含水海綿所埋的位置。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)充分考慮了煤礦井下安全標(biāo)準(zhǔn)，可用于對(duì)煤巷前方含水地質(zhì)構(gòu)造、斷層、陷落柱等地質(zhì)異常的超前探測(cè)工作，具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)步性及實(shí)用性，并具有產(chǎn)業(yè)上的廣泛推廣價(jià)值，其具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用了超前探測(cè)儀與掘進(jìn)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，可利用打好的錨桿作為探測(cè)電極，克服了掘進(jìn)面機(jī)械設(shè)備繁多、空間有限造成的雜亂、擁堵，即簡(jiǎn)捷性好。

（2）采用雙頻激電法做為探測(cè)原理，對(duì)含水地質(zhì)構(gòu)造、斷層、陷落柱等異常地質(zhì)構(gòu)造有較好的預(yù)報(bào)效果。

（3）采用角度掃描和深度掃描方式，實(shí)現(xiàn)異常體的定向和定深，可較為準(zhǔn)確地確定異常體的規(guī)模。

（4）本系統(tǒng)采用短距離，多頻次的探測(cè)方式，探測(cè)時(shí)間短，多次探測(cè)可增加預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，并隨著實(shí)時(shí)掘進(jìn)，可驗(yàn)證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

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［2］曹靜，岳建華，劉英 .多層采空區(qū)綜合物探方法研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2012 （8）

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［4］何繼善 .雙頻激電法 ［M］.北京：高等教育出版社，2006

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［7］Weijie Zhang，Mingrui Hao，Weizhen Zhang.Study on Realtime Ahead Detection Technology for Mining Roadway Based on Double Frequency Induced Method［C］.The 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，2011

Advance detecting system based on dual-frequency IP method for coal roadway mechanized tunneling

Zhang Weizhen1，Du Yibo1，Zhang Weijie1，2，Wu Miao1
（1.China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Department of Mechanical and Electronic Engineering，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 101601，China）

In order to detect the geological anomaly hidden in front of the coal roadway，this paper puts forward a kind of advance detection system based on dual-frequency IP method for coal roadway mechanized tunneling，which takes advantage of the existing roadway anchors as electrodes to launch dual-frequency current to the heading area.By analyzing the induced polarization information of the medium in the heading area，it can determine the hidden geological structure ahead of the roadway.By using the angle scanning and depth scanning，it can determine the location of the abnormal body.This system，which has high detecting speed and precision，good realtime performance，easy operation and other advantages，can be applied together with the tunnel boring machines.

tunneling face，advance detection，induced polarization，dual-frequency IP method，angle scanning，depth scanning

TD166

A

國(guó)家 “十二五”863計(jì)劃重大項(xiàng)目（2012AA06A405）

張維振 （1987-），男，北京市人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

（責(zé)任編輯 張毅玲）