基于雙頻激電法的煤巷綜掘超前探測系統(tǒng)研究＊

張維振 杜毅博 張偉杰，2 吳 淼

（1.中國礦業(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系統(tǒng)研究＊

張維振1杜毅博1張偉杰1，2吳 淼1

（1.中國礦業(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系統(tǒng)，針對煤巷掘進前方地質(zhì)異常的探測，利用巷道中現(xiàn)有錨桿作為電極，向掘進區(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)可與掘進機配合使用，且具有探測速度快、精高度，實時性好、操作方便等優(yōu)點。

掘進工作面 超前探測 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”是煤礦掘進必須遵循的原則。隨著井下掘進設(shè)備逐步實現(xiàn)機械化、自動化，掘進效率不斷提升，目前的超前探測水平難以滿足快速、高效掘進的要求，“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)備能較為準確的預(yù)報掘進前方隱伏的地質(zhì)構(gòu)造，進而保障掘進工作安全、快速進行。

目前煤礦井下采用的超前探測方法大多是井上物探方法在井下的變相應(yīng)用，通常采用的探測方法包括瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法和地震波法等，但這些方法要實現(xiàn)煤礦井下的超前探測，仍存在探掘分離、預(yù)報準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，這對設(shè)備的電氣參數(shù)有更為嚴格的限制。

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

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 （一次電場）作用下會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)過程，形成一個隨時間增加而增長的極化電場 （二次電場），他們的疊加稱為總場。

為了獲得明顯的激發(fā)極化效應(yīng)，雙頻激電法采用兩個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，低頻電流使探測區(qū)域內(nèi)介質(zhì)充分激發(fā)，測得低頻電位差ΔVL中含有足夠的二次場電位，而高頻電流使介質(zhì)來不及極化，測得高頻電位差ΔVH接近于一次場電位。高、低頻電位差全部包含于測量電極M、N所測電位差ΔVMN中。

圖1 雙頻激電法探測示意圖

PFE值可有效反映探測區(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，測得的PFE值將比未含異常體時高，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行探測，測量電極MN在AB中間的三分之一地段逐點測量，計算各測量點處PFE值，并繪制PFE值曲線。根據(jù)PFE值及其變化趨勢，可以判斷出探測區(qū)域

雙頻激電法將ΔVMN中的高、低頻電位差分離，用二次場電位差與總場電位差的百分比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，其探測方向向下，而煤巷的超前探測，異常體位于掘進的前方，需向前探測，所以煤巷綜掘超前探測系統(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

二極裝置的特點是供電電極B和測量電極N均位于巷道后方 “無窮遠”處，無窮遠是相對概念，指相對于A極電位小到可以忽略的位置。通過移動AM電極進行逐點測量，以確定異常體位置。

二極裝置在煤巷超前探測應(yīng)用的示意圖如圖3所示，發(fā)射電極A向探測區(qū)域發(fā)射雙頻電流，形成探測電場，異常體在電場的激勵下會發(fā)生極化現(xiàn)象，極化信息被反映在兩測量電極MN所測電位差ΔUMN中，通過分析PFE值曲線就可以判斷探測區(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應(yīng)用示意圖

3 煤巷綜掘超前探測系統(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系統(tǒng)主要用于煤巷掘進面的超前探測，其組成如圖4所示，主要由煤巷綜掘超前探測儀、液壓式探測發(fā)射電極、多個約束電極和接地電極組成。

其中，超前探測儀包括發(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，在圍巖中形成探測電場；約束電極的作用是發(fā)射與探測電極同頻電流，在圍巖中形成約束電場，利用電場同極性相斥的原理改變探測電場原來的傳播方向，使其方向可以控制。接地電極的作用是使電場形成回路。

3.2 電極布置形式

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

圖4 約束電場法煤巷機載超前探測系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)探測方法

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

發(fā)射電極同時也作為測量電極，探測儀接收模塊接收測量電極和接地電極間的極化信息。通過對極化信息進行放大和濾波處理，分離其中的高、低頻電位差成分，利用公式 （1）計算PFE值并繪制PFE值曲線。根據(jù)PFE值及其變化趨勢，從而判斷掘進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)半空間掃描探測的實現(xiàn)

有害地質(zhì)構(gòu)造可能不僅存在于掘進正前方，還可能存在于頂、底板或側(cè)幫處，所以超前探測要對掘進前方整個半空間實現(xiàn)掃描探測。掃描探測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。

在約束電場的作用下，探測電場形成喇叭口的形狀向前傳播，當8個約束電極的電流強度相等時，每個約束電極產(chǎn)生的約束電場對探測電場的約束作用都相同，探測電場的傳播方向為正前方，如圖5（a）所示，極化信息被包含在喇叭口探測的區(qū)域內(nèi)。當增大全部電極的電流強度，探測范圍逐漸由1增加到2的位置，以此實現(xiàn)了超前探測的深度掃描。

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

圖5 深度掃描和角度掃描示意圖

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

4 模型試驗研究

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

（1）系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊 （微處理器、驅(qū)動電路、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面上。

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

（3）智能采集儀可實現(xiàn)微小信號的接收、濾波處理和實時顯示。

4.1 含水斷層實驗臺

為了對實際工程中的雙頻激電法超前探測進行模擬，設(shè)計了以實際掘進地質(zhì)構(gòu)造為模型，縮小一定比例的含水斷層地質(zhì)構(gòu)造實驗臺，如圖6所示，實驗臺分為磚壘箱體、異常箱體和巷道模型3個部分?？蓮拇u壘結(jié)構(gòu)中推出，箱體內(nèi)介質(zhì)可進行更換。發(fā)射電極和約束電極布置在巷道模型前端的掘進面上，無窮遠電極布置在巷道后方3 m處。

4.2 實驗過程

（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前方某一位置，采用角度掃描的方式，探測電場的軸線以掘進前方磚壘箱體左壁為起點，逐步向右壁進行掃描，從而確定異常體位置。

實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計和分析得到有、無異常體時電位差對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 實驗結(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斷層地質(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 含水斷層實驗臺

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斷層，箱底裝有滑輪，

（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，探測電場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準，可用于對煤巷前方含水地質(zhì)構(gòu)造、斷層、陷落柱等地質(zhì)異常的超前探測工作，具有相當?shù)募夹g(shù)進步性及實用性，并具有產(chǎn)業(yè)上的廣泛推廣價值，其具有下列優(yōu)點：

（1）采用了超前探測儀與掘進機一體化設(shè)計，可利用打好的錨桿作為探測電極，克服了掘進面機械設(shè)備繁多、空間有限造成的雜亂、擁堵，即簡捷性好。

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

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

（4）本系統(tǒng)采用短距離，多頻次的探測方式，探測時間短，多次探測可增加預(yù)報的準確率，并隨著實時掘進，可驗證預(yù)報的準確性。

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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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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

國家 “十二五”863計劃重大項目（2012AA06A405）

張維振 （1987-），男，北京市人，碩士研究生，研究方向為機械電子工程。

（責任編輯 張毅玲）