激励法超前探测技术电场约束效率的方差分析

张伟杰，胡兴志，于润祥

(华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601)

激励法超前探测技术电场约束效率的方差分析

张伟杰，胡兴志，于润祥

(华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601)

为了研究电流参数和位置参数对电场约束效率影响的显著性，从而对确定超前探测仪器最佳工作参数提出理论指导。首先，阐述了激励法超前探测的原理，并定义了电场约束效率概念;然后，借助MATLAB工具，对电流参数和位置参数分别取不同值时所得电场约束效率数据进行方差分析;方差分析结果显示，两参数对电场约束效率的影响均具有高度显著性。

超前探测;激励法;约束效率;方差分析;显著性

0 引言

煤矿井下巷道掘进面前方隐伏的地质构造，如地下水、断层、陷落柱等，给安全生产带来很大威胁［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］

激励法超前探测技术是利用围岩中地质异常体激电效应比较明显的特征，采用双频调制波电流作为激励电流，测量掘进前方围岩发生激发极化后的激电参数，同时根据同性电场相斥的性质，利用约束电极发射电流形成的约束电场与主电极发射电流形成的探测电场相互作用，使探测电场的传播方向与传播范围控制一定区域内，实现角度扫描和深度扫描探测，达到定方向、定距离探测的目的［5］。电场的约束效率直接反映约束电极和主电极的位置参数及电流取值对探测范围的影响，是激励法超前探测技术研究的最重要内容之一。

1 激励法超前探测技术原理

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，根据电荷同性相排斥原理，两种电极产生的电场相互排斥，使探测电场的传播方向与传播范围得以约束，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，减弱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之间经围岩体内形成探测电场，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［6－7］。

图1 电极布置与电场约束效果

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

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

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值等参数值与无地质异常时的计算值对比，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值曲线出现凸峰，如图2所示;含陷落柱时，视电阻率曲线出现凸峰，而对应PFE值曲线出现凹谷，如图3所示;含断层时，视电阻率曲线单次阶跃上升，而对应的PFE值曲线单次阶跃下降，如图4所示［8－11］。

图2 含水地质构造曲线

2 电场约束效率研究

约束电极的位置和电流强度均会影响探测电场的约束效果，利用Matlab软件对电场的约束效果进行仿真，通过分析电场约束效率的相对大小，确定约束电极参数的最佳取值，对于探测仪器硬件开发具有重要的指导意义。

图3 陷落柱地质构造曲线

图4 断层地质构造曲线

2.1 电场约束效率的概念

各约束电极电流强度取相同值时，探测电场传播方向为掘进正前方的喇叭口范围。为研究当约束电极电流强度Ii与主电极电流强度I0以及约束电极位置变化时，约束电场对主电场约束效果的影响，特提出电场约束效率ηei的概念［11－13］，并称为电流参数，若以主电极所在位置为坐标原点O，称约束电极到坐标O点的距离 b (m)为位置参数。

如图5所示，选取k=0时(不加约束电场)的一条参考电力线L，点A(m，r0)为L上一点。A点处的电位为φA和电场强度为EA，且:

当k值不为零时(即约束电极B2和B6的电流值I2和I6均不为零)，约束电场对主电场产生约束作用，则存在一点B(m，ri)，其电位为φB，电场强度为EB，且:

令式(4)=(5)

即

根据探测实际需要和简化计算，取m=50米，解式(6)可得到ri的值(计算过程略)。可通过比较r0(m)和ri(m)的大小来分析约束电场对探测电场的约束作用，故电场约束效率 ηei定义为:

图5 电场约束效率的定义

2.2 电流参数k和位置参数b取不同水平时的电场约束效率

考虑到井下瓦斯限制了检测电流值不能太大，因此根据经验，电流参数k分别取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，十个水平;

通常巷道的高宽约为4～6 m，因此，位置参数b分别取2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，五个水平。

在相同试验条件下，所得电场约束效率如表1所示。

表1 电场约束效率随k和b不同的值

3 电场约束效率的方差分析

方差分析是最常见的数据处理方法之一，是科学研究中分析试验数据的一种有效的工具，已经广泛应用于许多领域，并取得了良好的效果。通过方差分析可以获得因素对研究结果影响力的大小，从而指导研究［12－13］。

影响电场约束效率的有电流参数k和位置参数b两个因素，这两个因素分另用A和B表示，且两因素之间没有交互作用。

3.1 构建数据表和方差分析表

两因素无重复试验数据表格式如表2所示。

表2 两因素无重复试验数据表格式

式中，αi，βi，分别为因素A和因素B的均值;μ为总体均值;σ2为总体方差;且各εij独立。

因此，两因素无重复试验方差分析表格式如表3所示。

表3 两因素无重复试验方差分析表格式

3.2 方差分析表的MATLAB编程与运行

根据方差分析思路与步骤的MATLAB编程如下:

table(1，1:7)={‘方差来源’，’偏差平方和’，’自由度’，’方差’，’F值’，’Fa’，’显著性’};

table(2:5，1)={‘行间因素’;’列间因素’;’误差’;’总和’};

mrk={‘不显著’，’显著’，’高度显著’};

运行程序，调入表1中数据，得到方差分析数据结果如表4所示。

表4 方差分析结果

由表4显著性一列中可以看出，因素A(电流参数)和因素B(位置参数)对电场约束效率的影响均为高度显著。

4 结论

激励法超前探测技术是利用介质激发极化特性，间接判定巷道前方是否存在异常地质体的一种方法。约束效率是影响超前探测准确度的关键参数之一，其受煤岩特性及电极电流和电极位置等多种因素的影响。

文中简述了激励法超前探测技术原理，并定义了电场约束效率概念，借助MATLAB软件，运用方差分析方法研究了电流参数和位置参数对电场约束效率的影响的显著程度，为超前探测仪器的开发研制与优化奠定了理论基础。

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VarianceAnalysis of the Electric Field Constraint Efficiency of the Advanced Detection Technology of the Excitation Method

ZHANG Wei－jie，HU Xing－zhi，YU Run－xiang

(School of Mechanical－Electrical Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

In order to give the theoretical guidance for determining the optimal working parameters of the advanced detection instrument，the significance of the influence of the current parameters and the position parameters on the electric field constraint efficiency is researched.Firstly，it elaborates the incentive method in advanced detection principle，and defines the field confinement efficiency concept;then，with the help of the MATLAB tools，the constraint efficiency data of electric field，obtained from different values of current and position parameters，is analyzed by variance.The results of variance analysis show that the influence of the two parameters on the constraint efficiency of the electric field are highly significant.

advanced detection;excitation method;restriction efficiency;variance analysis;significance

TD263

A

1672－7169(2016)06－0030－05

2016－09－23

国家高技术研究发展计划(863计划)重大基金资助项目(2012AA06A405);中央高校基本科研业务费资金资助项目(3142015098，3142015087)

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:矿山机械，机电一体化。E－mail:wzhangweijie@163.com