电场激励法超前探测原理及仪器发射部分研制

张伟杰,罗建国,胡兴志,孙辉辉

(华北科技学院 机电工程学院，北京 东燕郊 101601)

电场激励法超前探测原理及仪器发射部分研制

张伟杰,罗建国,胡兴志,孙辉辉

(华北科技学院 机电工程学院，北京 东燕郊 101601)

为了丰富和提高煤矿巷道电法超前探测的手段和效率，利用煤岩激发极化和电场同性相斥的基本性质，分析在双频激电电流作用下的约束电场的百分频率效应，得出前方围岩特性来间接判断地质异常。所研制的超前探测仪发射部分采用整流隔离稳压和模块化设计，示波器得到的发射电流波形为双频波，强度可方便调节，达到了设计要求。

电场激励法;超前探测;百分频率效应;隔离稳压;双频波

0 引言

煤矿井下巷道掘进面前方隐伏的有害地质构造，给工作人员和机械设备带来很大威胁，其中水灾更为普遍[1-3]。因此，《煤矿安全规程》规定：“矿井必须做好水害分析预报和充水条件分析，坚持预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采的防治水原则”[4]。

目前，常用于煤巷超前探水的方法有钻探法、直流电法、瞬变电磁法、地质雷达法等。

钻探法属于破坏性探测，通常与物探方法配合使用，主要用于验证物探的准确性，进一步核实物探结果。钻探法中的超前水平岩芯钻探是一种传统而可靠的方法，但是，探水钻机设备结构复杂，施工费用高、占用施工时间长。

矿井直流电法又称为矿井电阻率法，通过测量多点电阻率值，对比多条电阻率曲线来判断掘进前方的异常特征。此方法对含水构造敏感，探测距离较大。但是受电场全空间效应的影响大，相对而言干扰因素较多，误报与漏报率较大。同时，探测过程中的跑极工作量大，施工时对巷道长度有一定的要求。

瞬变电磁法(Time domain electromagnetic method， TEM) 是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈和接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法[5][6][7]。在井下巷道中进行探测时，圈的尺寸和发射装置的功率因巷道空间狭小和金属设备而被限制，导致探测精度和深度受到影响。

总之，各种物探方法都有其特定的使用条件探测特征，但是对于掘进面超前探测时所期望的随探随掘、掘探一体的目标仍然存在不小的距离。因此，研究和探索一种新的探测方法，实现掘进面全方位探测并提高探测的精确度和效率，意义重大。

1 电场激励法超前探测原理

如图1(a)所示，主电极A位于巷道断面中央，约束电极(B1-B8)布置在四周。主电极和约束电极同时向掘进前方发射同频率、同极性的双频(高频和低频)交流电流，根据同性相排斥原理，两种电极产生的电场相互排斥，使探测电场的传播方向与范围得以约束，即在前方探测距离内呈喇叭口状，从而很好地控制了电场在介质中传播的方向性问题，消除了电场的全空间效应。如图1(b)，C为接地电极，在A-C及B(1-8)-C之间经围岩体内部存在电场，当探测电场穿过地质异常体时，产生激发极化效应，测量A和C之间的电位差信号，可获得围岩激发极化信息，从而判定前方围岩地质状况[8][9]。

图1 电极布置与电场效果约束

设ΔVH,IH为系统以高频fH供电时测得的电极A与C之间的电位差电流；ΔVL,IL为系统以低频fL供电时测得的电极A与C之间的电位差电流。根据式(1)、(2)可求得高频视电阻率ρsH和低频视电阻率ρsL。

(1)

(2)

取IH=IL时，得出PFE(Percent frequency effect，百分频率效应)的值为：

(3)

将由式(1)～(3)获得的反映围岩激发极化信息的视电阻率ρs及百分频率效应PFE值等参数与无地质异常时的值对比，若两者相同，则前方无地质异常，反之，若两者数据值有差别，说明前方有异常。用曲线表示参数变化规律时，若含水，视电阻率曲线出现凹谷，而对应PFE曲线出现凸峰；含陷落柱时，视电阻率曲线出现凸峰，而对应PFE曲线出现凹谷；含断层时，视电阻率曲线单次阶跃上升，而对应的PFE曲线单次阶跃下降。

2 超前探测仪结构

2.1 超前探测仪总体结构

超前探测仪由发射、接收、电极、显示及配套的解释软件组成，如图2所示。

图2 超前探测仪总体结构

图3 发射部分结构

电极由发射电极(包括主电极和约束电极)、测量电极和接地电极组成。主电极布置在掘进断面中心处，四路约束电极对称布置在主电极四周，测量电极可在掘进断面上进行观测，接地电极布置在巷道后方数百米位置上，与发射电极形成空间闭合回路电场。

发射部分由发射电源、发射控制和发射装置组成。发射装置通过主电极和约束电极向掘进断面前方围岩介质同时发射5路极性相同、幅值强度不同、高低频率组合的双频交流调制方波电流。方波电流的工作频率有四种组合：1 Hz及1/13 Hz ；2 Hz及2/13 Hz；4 Hz及4/13 Hz；8 Hz及8/13 Hz。通过发射控制可以调节主电极和约束电极屏流比大小，使探测电场在掘进面前方发生不同程度的约束效应。

接收部分由接收电源、接收控制和接收信号调理组成。接收信号调理在接收控制作用下可接收测量电极传来的围岩介质激电信号，并对激电信号进行数据处理、计算，将计算数据传给接收控制；接收控制与发射控制之间通过RS485进行通信，对发射电流频率进行同步性控制和数据传输。

发射电源取自掘进机提供的AC127V电源，接收电源为掘进机上的DC24V电源。

2.2 超前探测仪发射部分原理及结构

超前探测仪发射部分具备的功能有：

1)输入电压为交流127 V，可同时输出5路频率和相位相同、电流幅值单路可调的双频调制电流方波，电流幅值在10 mA～200 mA连续可调，分辨率达0.1 mA，且输出电压上限不超过80 V；

3)与接收部分进行实时通讯，将各路输出电流传送给接收部分。

根据以上功能要求，发射部分结构如图3所示，由处理器、人机交互模块(键盘、显示器、打印)、通信模块、电流控制 、控制信号隔离、稳流模块、整流隔离模块、电压电流采样隔离、电压电流A/D转换模块、逆变模块、调制信号隔离等组成。

键盘、显示器和打印输出构成人机交互模块，由处理器完成数据和命令处理，通过显示器显示发送机输出电压、电流和接地电阻；通信模块按MODBUS协议与接收部分进行通信，将发射部分实际输出电流值实时传给接收部分；电压电流A/D转换模块将模拟量转换成微处理器能够处理的数字量；整流隔离开关电源模块将交流127 V输入电压转成相互隔离的5路直流输出；稳流模块每路均采用电压和电流双反馈控制，电压反馈控制使开关电源输出电压不得超过80 V，电流反馈控制使开关电源输出电流在10 mA～200 mA之间且连续稳定可调；电流电压采样模块对发送机输出电流、电压信号做采样处理；逆变模块是由四个MOS管组成的全桥逆变电路，将稳流模块输出的恒流逆变成调制方波电流。

发射样机采用模块化设计和制作(共由1个主控板模块和5个输出板模块拼接构成，如图4所示)。各硬件模块之间保持相对独立，当某个硬件模块出现故障时，系统会对其进行自检，各模块插拔、更换工作都极为方便。

图4 发射部分样机主控电路板和输出电路板

图5 同时发射两路电流时的波形图

3 发射波形测试

以同时发射路(5路可任选路进行测试)幅值分别为50 mA和80 mA的双频调制方波电流，经采集仪后输出方波曲线如图5所示。此时一路输出电压幅值约为5 V，另一路约为8 V，两路之间相互隔离，两路电流幅值可任意进行设定，符合设计要求。

4 结论

文中所述的电场激励法超前探测原理与直流电法和瞬变电磁法有本质的区别，由于采用了电场约束性质，理论上可减少空间效应，从而提高探测准确率。研制的超前探测仪包括发射部分和接收部分，发射部分采用了整流隔离稳压和模块化设计，发射电极和约束电极方便调节。发射极电流强度变化，则探测距离变化，形成距离效应；约束电极电流强度比值变化，则形成探测方位变化，形成方位效应。发射极电流和约束电极电流强度变化是无极调节的，因此形成探测前向半空间的前向和偏向扫描，从而获得地址异常体的距离、方位以及大小。

[1] 韩进.矿井水害监控及决策支持技术研究[D].上海：上海大学，2007.

[2] 李新凤，魏久传，尹会永，等.肥城矿区矿井水害类型及特征研究[J].煤矿开采，2008，13(2)：13-15.

[3] 李佩全，刘登宪，李永.淮南矿区矿井水害调研分析[J].华北科技学院学报，2008，5(1)：5-8.

[4] 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：中国法制出版社，2010,2.

[5] 刘树才, 岳建华, 刘志新. 煤矿水文物探技术与应用[M].江苏徐州：中国矿业大学出版社, 2005，10.

[6] 靳福忠.掘进工艺[M].徐州：中国矿业大学出版社,2011.

[7] 何继善.隧道超前探测方法技术与应用研究[J].工程物理学报,2004，8：294.

[8] Weijie Zhang，Mingrui Hao，Weizhen Zhang，Miao Wu. 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，2011,07

[9] 中国矿业大学(北京).电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统:中国，201110430066.0[P].2013.

The advance detection principle of electric-field excitation method and the development of instrument’s emission part

ZHANG Wei-jie,LUO Jian-guo,HU Xing-zhi,SUN Hui-hui

(SchoolofMechanical-electricalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to enrich detection means and improve the efficiency of electrical method in advanced detection. We can obtain the characteristics of front -surrounding rock and to indirectly determine the geological anomaly by analyzing the percent frequency effect of dual-frequency induced polarization current limiting electric field based on the basic properties of excitation polarization and isotropic electric field repel in rock. The advance detection instrument’s emission part adopts isolation rectification regulator and modular design. The transmitted current waveform is obtained by the oscilloscope. The current intensity can be easily adjusted without pole.The design requirements are reached.

electric field excitation method; advanced detection;percent frequency effect;isolation voltage;double frequency wave

2015-12-26

中央高校基本科研业务费资助(3142015098)

张伟杰(1972-)，女，河北邯郸人，博士、博士后，华北科技学院机电工程学院副教授，研究方向：机械电子工程。E-mail: wzhangweijie@163.com

TD745

A

1672-7169(2016)01-0081-05