盾构机掘进煤矿巷道超前探测系统

赵栓峰，丁志兵，李凯凯，魏明乐，王文波

（西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054）

煤矿开采易发生事故，因此煤炭行业也被称为高危险行业[1]。巷道掘进是煤矿开采过程中必不可少的环节，巷道的掘进技术和装备水平直接影响煤矿的开采效率[2]。盾构机是一种专门用于隧道开采的大型设备，与传统的工程机械相比，大大提高了掘进效率，减轻了工人的劳动强度[3]，因此，在煤炭行业中可以引进盾构机进行煤矿巷道的掘进[4]。2015年12月，我国第一座盾构机施工的煤矿斜井——神华神东补连塔矿2号副井顺利贯通，标志着我国矿用斜井设计施工与装备技术达到世界先进水平。盾构机掘进速度是传统施工进度的4～5倍，对促进我国深层煤炭资源开发具有重大意义[5]。在巷道掘进过程中，很可能会遇到水体、空洞等不良地质，极易发生塌方、透水等危险事故，造成不必要的伤亡以及损失。因此，开发超前探测方法及装备是保证巷道掘进安全的必由之路。

近年来，许多学者曾对超前探测技术进行了研究[6-8]。但国内结合盾构机应用的超前探测方法比较少，现有的探测方法都是解决煤矿巷道掘进中具体的问题，采用的探测装备很难满足施工要求。为实现盾构机在掘进煤矿巷道时，对前方地质进行实时监测。设计了一种基于三维电阻层析成像方法的盾构机超前探测实时监测系统，系统通过获得测量区域内部各点处的电阻率分布，利用正演、反演算法，实现对盾构机前方异常体进行超前探测。

1 系统总体方案

盾构机掘进煤矿巷道超前探测实时监测系统以盾构机的刀盘作为激励和测量电极进行数据采集，利用电阻层析成像算法对测量的数据进行反演分析，发现盾构机施工前方的异常体。电阻层析成像的基本原理：利用不同物质的导电性差异，通过测量区域内电阻率的分布，得到测量区域内敏感度的分布，就可以利用层析成像算法实施图像重建。

盾构机超前探测系统图如图1。实时监测系统包括传感单元、数据采集单元和上位机成像单元。激励源模块可提供激励信号所需的电流，激励信号通过激励选通模块分别输出到保护电极和激励电极上，实现保护电极的聚焦作用和激励电极的激励作用。位于刀盘上的测量电极测量围岩的响应信号，通过测量选通模块后进行数据采集，以此实现盾构机超前探测的高速测量过程并将采集到的信号传输到计算机中，在计算机中进行数据分析和处理，通过图像重建技术进行探测结果的显示。其中，主控模块是该系统的核心，主要实现整个超前探测过程中的激励和测量命令控制。

图1 盾构机超前探测系统图

2 硬件设计

2.1 传感电极

传感电极与测量区域直接接触，其作用是施加激励信号到测量区域，收集测量区域的激励响应信号并导入到数据采集模块中。传感电极的参数（电极数量、材料、形状、布置方式、安装等）在很大程度上影响测量误差、单点信息的反映、成像质量[9]，因此将超前探测传感电极确定为圆形铜质材料的12个电极阵列，其中电极以等间距的方式布置在刀盘上过中心点的直线上。

2.2 主控模块

主控模块实现数据发送、选通控制、数据采集以及数据处理等任务。该模块采用TI公司的MSP430f149控制芯片。设计中通过微控器接口，选择要施加激励的电极对，将激励信号施加到相应的激励电极对上，完成激励过程；定时/计数器协调激励、数据采集和逻辑开关切换实现激励和测量过程中的选通控制功能。

2.3 激励源模块

在测量过程中，电极与测量区接触，产生的接触阻抗会给整个测量结果带来干扰。电压源作为激励信号时，电压源内阻较小，接触阻抗会对系统测量造成较大影响[10]。电流源作为激励信号时，电流源输出内阻高，接触阻抗对系统测量结果影响较小[11]。所以采用电流源作为激励源。该模块采用高精度放大器OP77AZ，能够获得0.05～10 mA之间的电流信号，激励源电路如图2。

2.4 激励选通模块

激励选通模块主要控制激励信号与电极间的导通。根据测量要求，将激励源信号输出到要施加的激励电极上，每2个电极作为1个激励电极对，必须分别进行控制。施加的激励源极易受到电子元器件的干扰，因此需要激励选通模块具有较低的导通电阻。CD4067是16选1的高精度CMOS模拟开关，导通电阻约100 Ω，具有较小的漏电流以及5～15 V宽电压范围，开关导通时间为50 ns。施加激励的回路需要对2个电极进行独立控制，因此激励模块需要2片模拟开关。

2.5 测量选通模块

在实际测量中，直接测量电极上的信号，获得的数据会引入测量仪器、环境干扰等误差噪声信号。差分测量2点间的电压能有效地抑制干扰信号，每次测量须测量2个电极上的信号，每个电极均需要独立控制。测量选通模块由2片16路CD4067模拟开关组成，当激励选通模块将激励源施加到激励电极上时，可对其余的电极进行独立测量。

2.6 数据采集模块

在激励施加后，数据采集模块根据测量顺序对电极上的信号进行测量。该模块采用TI公司的ADC芯片ADS1256。此采集卡可采集标准电压，采用模拟地与数字地绝对隔离的布置方式，具有很强的抗干扰能力。工作时可利用主控模块控制其寄存器，实现数据传输。信号采集电路如图3。

3 软件设计

3.1 激励模式

超前探测系统中不同的激励模式会间接影响层析成像的图像质量。相邻激励模式相对于相对、单点等激励模式具有实现过程简单并且获取信息量丰富的优点。相邻激励模式是将激励电流通入相邻的电极，测量其余相邻电极之间的电压差。采用12电极相邻激励，完成相邻测量模式共有12种激励方式。测量区域电阻率分布不均匀时，108个测量值都为有效值。盾构机进行盾构时，掘进工作面所含有的地质信息比较复杂，因此所有的测量值都含有有效信息。相邻激励方式的激励过程如图4，分别给12个电极编号1，2，…，12。第1次的激励过程：1号电极接激励源的负极，2号电极接激励源的正极；其它激励过程与之类似。

图4 相邻激励模式激励过程示意图

3.2 测量模式

测量模式是在相邻激励模式下，对相邻的2个电极施加激励，对剩余电极进行相邻测量，每1次激励下共有9组测量值，完整测量1次共有108组。

3.3 三维电阻层析成像超前探测方法

3.3.1 正演方法

电阻层析成像的正演问题被表示为：

式中：U为测量电极对间的电压差，V；F为前向算子；ρ为敏感场中电阻率的分布，Ω·m。

结合泰勒展开法得到电阻层析成像正演问题电压变化△U与电阻率变化△ρ的关系：

式中：△U为电压的变化，V；△ρ为电阻率的变化，Ω·m。

若△ρ特别小，就可将上式简化为：

若敏感场被分为nC个单元，一种有m个独立测量数据，将上式离散并归一化处理可得：

式中：U、A、G分别为归一化后的电压测量值、敏感度矩阵和电阻率分布矢量。这样就可将非线性问题简化为线性问题。

在三维聚焦电场中，总电位Uz是正常电位值U0与异常电位值U1之和，即：

3.3.2 反演方法

三维电阻层析成像反演问题是在已知测量区域边界条件，求解场域内电导率分布的问题。盾构机三维层析成像反问题的求解可转换为线性问题并结合光滑约束条件下的最小二乘方法进行求解。

利用泰勒级数展开法可将非线性问题转换成线性处理：

式中:△d为实际测量数据与正演计算数据的差向量；△p为模型参数的增量向量；A为P×N阶敏感度矩阵。由于存在截断误差，需要不断对上式迭代求解才能获得最优解。反演目标方程为：

式中：φ为反演目标函数。

进行三维层析成像反演求解时，可利用约束进行解决。第i个网格的约束Ri为：

式中：Ri为第i个网格的约束；△pi为第i个网络模型参数修正量，分别为第i个网格的6个面的电阻率修正参数，用矩阵表示整个模型的光滑约束R为：

式中：C光滑参数矩阵。

引入光滑约束后的目标方程如下：

式中：λ为拉格朗日常数。

反演方程为：

对式（11）进行迭代可得模型参数的变化值，再求解下次计算的参数如下式：

在Matlab中编写盾构机超前探测三维层析成像反演程序，主要实现建模、正演、反演、后处理等和功能。若反演误差的理论数据与实际测量数据间的均方差s<反演的允许值η时，模型反演参数输出就是最终的反演结果。反演程序流程如图5。

图5 三维电阻层析反演流程

3.4 超前探测成像演示软件

盾构机超前探测演示软件是通过对盾构机前方地质的电阻率数据进行分析，进而达到预测前方地质信息的一种工具。工作人员可根据软件预测的结果，清楚地了解前方地质情况，更加有利于安全高效工作。软件具有的功能包括：①数据输入：直接输入盾构机直径、异常体到掌子面距离、异常体电阻率、激励电流、电极1、电极2、电极3等各项数据；②构建图形：针对上述各种数据进行图形构建；③网格划分：对构建的图形进行精细网格划分；④问题求解：以有限元法为基础，通过求解偏微分方程得到近似解，从而对掌子面前方地质信息进行模拟仿真，得到电势分布图、电流流线、敏感度、测点电压、反演结果和电导率分布图。

4 结语

设计了一种盾构机掘进煤矿巷道超前探测实时监测系统。在盾构机前端刀盘上安装激励和测量电极，通过超前探测系统中的硬件进行数据采集，利用三维电阻层析成像方法对测量的数据进行反演分析，可将盾构机施工前方的异常体实时展示在软件界面上。实现了盾构机掘进过程中复杂地质情况的实时监测和远程画面实时显示。