本文關(guān)鍵詞：煤巷綜掘雙頻激電法超前探測正反演及信號發(fā)送機研究

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【摘要】：我國是目前世界上礦井水害最為嚴重的國家之一,長期以來,煤礦水害事故一直制約著煤炭開采業(yè)安全生產(chǎn)的發(fā)展,給國家和人民的生命財產(chǎn)帶來了極為慘重的損害。另外,陷落柱和斷層雖然不會像水害那樣造成生命財產(chǎn)的巨大損失,但是如果在煤巷掘進過程中沒有及時發(fā)現(xiàn)其存在,勢必會引起掘進設(shè)備的損壞造成經(jīng)濟損失,給巷道和頂板的維護造成困難,影響煤礦正常的掘采效率。因此,在煤巷掘進過程中快速、準確、有效的探明掘進工作面前方一定范圍內(nèi)是否存在災(zāi)害性含導(dǎo)水體,陷落柱和斷層等異常地質(zhì)構(gòu)造,是保證煤礦安全生產(chǎn)的一項重要任務(wù)。目前,煤巷超前探測的方法主要有鉆探法和物探法。鉆探法是一種傳統(tǒng)方法,用鉆探設(shè)備向掘進面前方鉆探一定深度的孔并取巖芯。通過觀察和分析巖芯結(jié)構(gòu),來判斷掘進工作面前方一定范圍內(nèi)是否存在災(zāi)害水體、陷落柱和斷層等。此方法的不足之處在于:施工設(shè)備笨重、施工時間長、探測速度慢且距離短、遇到災(zāi)害性水體可能會引起突水事故、探測結(jié)果只是“一孔之見”,難以判斷掘進工作面前方整個空間的地質(zhì)情況。物探法是在礦井地下開采空間中,通過觀測由地質(zhì)變化引起的各種物理場分布及其變化特性,來判斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法總稱。與鉆探法相比,礦井物探法具有經(jīng)濟、高效、無損、探測范圍大、探采對比實證性強、運用靈活等優(yōu)點。因此,煤巷綜掘物探技術(shù)一直以來都是眾多學(xué)者關(guān)注的課題和研究方向。目前,研究相對深入且在煤巷有一定應(yīng)用案例的物探方法主要有四種:礦井直流電法超前探測技術(shù)、礦井瞬變電磁法超前探測技術(shù)、礦井地質(zhì)雷達法超前探測技術(shù)、礦井地震波法超前探測技術(shù)。但是由于煤巷特定的工作環(huán)境以及煤礦對觀測系統(tǒng)和儀器裝備的特殊要求,給煤巷物探帶來了技術(shù)瓶頸大,干擾因素多,數(shù)據(jù)采集和資料解釋難度大等諸多難題。這也使得現(xiàn)有物探方法總是存在著一定的缺陷。分析總結(jié)眾多物探方法的探測原理之后,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)提出了聚焦雙頻激電法煤巷綜掘超前探測技術(shù)。該技術(shù)將抗干擾能力強并在地面勘探金屬礦領(lǐng)域得到應(yīng)用的雙頻激電法,和探測距離遠且在隧道施工中有試驗案例的直流電場聚焦法進行了有機的結(jié)合。本文圍繞煤巷綜掘雙頻激電法超前探測正反演理論與激勵信號發(fā)送機研制展開研究,完成了聚焦雙頻激信號發(fā)送機工程樣機研制,建立了雙頻與聚焦雙頻激電法超前探測數(shù)學(xué)模型,分析了超前探測直測參數(shù)與關(guān)鍵目標參數(shù)之間的正反演關(guān)系,提出了關(guān)鍵目標參數(shù)反演方法,分析了不同布極方案的特點,并通過實驗室模擬試驗對樣機性能和理論分析結(jié)果進行了驗證。本文主要研究成果和結(jié)論如下:(1)研制了聚焦雙頻激勵信號發(fā)送機工程樣機。針對目前由于缺乏礦用聚焦雙頻激勵信號發(fā)送機,而制約著雙頻和聚焦雙頻激電技術(shù)在煤巷超前探測領(lǐng)域中應(yīng)用和發(fā)展這一現(xiàn)狀,重點研制了聚焦雙頻激電儀激勵信號發(fā)送機的工程樣機。樣機最多可同時輸出五路相互隔離單路連續(xù)可調(diào)的雙頻調(diào)制電流方波激勵信號,可以滿足煤巷雙頻和聚焦雙頻激電超前探測技術(shù)對激勵信號的需求。樣機中采用了自身具有隔離功能的開關(guān)電源恒流電路,二次恒流電路,線性隔離電路,通信和調(diào)制信號隔離電路等電路,這些電路保證了五路輸出探測信號加在同一介質(zhì)時的單路可調(diào)性以及信號的穩(wěn)定性和精度。此外按照煤礦對電氣設(shè)備的本安要求,樣機中對所有的輸入、輸出端口做了隔離和雙重過流、過壓保護等技術(shù)處理。其中,五路激勵信號的保護電路不僅對信號質(zhì)量不產(chǎn)生影響,而且能對信號起到雙向雙重過流過壓保護作用。經(jīng)測試樣機能在介質(zhì)中激發(fā)出明顯的極化效應(yīng),并且樣機在第三方的煤安檢測中心通過了各項檢測取得了防爆證書。(2)研究了雙頻激電法煤巷超前探測建模與關(guān)鍵參數(shù)正反演問題以點源電位場和介質(zhì)電阻率的cole-cole模型為基礎(chǔ)建立了雙頻激電法超前探測直測參數(shù)——視幅頻率(PFE)關(guān)于煤巷超前探測的關(guān)鍵目標參數(shù)——地質(zhì)異常體的大小及其到掘進工作斷面的距離的解析數(shù)學(xué)模型。通過模型分析從原理上指出雙頻激電法,能夠消除巷道空腔以及偶然相同干擾因素對探測結(jié)果的影響,具有抗干擾能力強的優(yōu)點。利用數(shù)學(xué)模型對災(zāi)害性含、導(dǎo)水體,陷落柱和斷層三種煤巷常見的超前探測目標體,在二極探測裝置下測得的PFE值與超前探測目標體的大小和到掘進斷面的距離等關(guān)鍵目標參數(shù)之間的正反演關(guān)系進行分析。并提出了依據(jù)視幅頻率值的變化規(guī)律反演出災(zāi)害性含、導(dǎo)水體,陷落柱和斷層的大小和距離的方法。(3)研究了聚焦雙頻激電法煤巷超前探測建模與關(guān)鍵參數(shù)正反演問題在雙頻激電法超前探測數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,依據(jù)電場疊加原理建立了三極和五極聚焦條件下測點電位的頻率域解析數(shù)學(xué)模型。通過所建模型,分析不同聚焦條件下屏蔽電流與主電流比值對探測結(jié)果的影響;研究了不同聚焦條件下二極裝置跑極時三種常見典型超前探測異常體(災(zāi)害性含、導(dǎo)水體,陷落柱和斷層)的厚度a、距離d和側(cè)偏角θ1三個關(guān)鍵參數(shù),與直測參數(shù)PFE%-R曲線的正反演關(guān)系。在理論上建議實際探測中電流比選用1:1;二極裝置跑極時聚焦比不聚焦超前探測對異常響應(yīng)更敏感,且側(cè)偏角θ1的影響都可以忽略;五極聚焦比三極聚焦對異常體厚度a、距離d反應(yīng)敏感,在探測距離方面存在如下規(guī)律,d五極聚焦二極跑極d三極聚焦二極跑d不聚焦二極跑極;提出了根據(jù)直測數(shù)據(jù)PFE%-R曲線變化規(guī)律分別反演出三種典型異常體厚度a和距離d的方法;(4)對超前探測不同異常體的不同布極方案進行了對比分析研究通過對不聚焦二、三極跑極,三極聚焦二、三極跑極和五極聚焦二、三極跑極等不同電極布置方案的研究指出,上述布極方案中超前探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體的PFE%-R曲線都是先增加后減小存在極大值點,探測陷落柱的PFE%-R曲線都是先減小后增加存在極小值點,探測斷層的PFE%-R曲線都是一直減小且過零點,故可以根據(jù)這些特點利用PFE%-R曲線變化規(guī)律判斷異常體的類型。另外,聚焦比不聚焦探測方案對異常響應(yīng)更敏感,且對異常體的大小和距離分辨率更高。但是由于相同條件下聚焦探測方案的PFE%-R曲線極值點位置向前移,可使探測的距離增大。極值點位置前移使測得PFE%-R曲線極值點時測線R長度減小,探測數(shù)據(jù)相應(yīng)減少,因此聚焦比不聚焦探測效率高且不易失去反演信息�？傊劢古c不聚焦相比探測分辨率高,探測效率高,探測深度大,失去反演信息的風(fēng)險小。(5)開展實驗室模擬試驗,通過試驗來檢測聚焦雙頻激信號發(fā)送機工程樣機的性能,驗證理論分析的正確性。模擬巷道試驗對研制的工程樣機的性能和理論分析的結(jié)論進行了驗證,試驗?zāi)Ｐ椭杏媚嗤羴砟M煤,在地面向下挖土槽然后向模擬地質(zhì)異常體土槽中填充不同電性的可極化介質(zhì)來模擬煤巷和典型地質(zhì)異常體。工程樣機功能測試結(jié)果表明,樣機功能達到了預(yù)期的設(shè)計要求。模擬試驗結(jié)果不僅證明了理論分析的正確性和所提方法的可靠性,另外還得出了相同聚焦條件下三極跑極探測方案比二極跑極探測方案的抗干擾能力強;相同測量方案下激勵電流場不聚焦、三極聚焦和五極聚焦方案抗干擾能力依次增強的結(jié)論。
【關(guān)鍵詞】：雙頻激電 超前探測 正反演 發(fā)送機工程樣機 模擬試驗
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P631.3;TD163.1
【目錄】：

• 摘要4-7
• abstract7-15
• 1 引言15-35
• 1.1 課題來源15
• 1.2 課題背景15-18
• 1.3 雙頻激電法超前探測基本原理18-21
• 1.3.1 雙頻激電法基本原理18-20
• 1.3.2 聚焦雙頻激電法超前探測基本原理20-21
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述21-29
• 1.4.1 煤巷綜掘物探國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-24
• 1.4.2 雙頻激電法超前探測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-27
• 1.4.3 聚焦雙頻激電儀國能外研究現(xiàn)狀27-28
• 1.4.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)28-29
• 1.5 問題提出29-31
• 1.6 研究目標及意義31-33
• 1.6.1 研究目標31-32
• 1.6.2 研究意義32-33
• 1.7 研究內(nèi)容及技術(shù)路線33-34
• 1.7.1 研究內(nèi)容33-34
• 1.7.2 研究技術(shù)路線34
• 1.8 本章小結(jié)34-35
• 2 聚焦雙頻激勵信號發(fā)送機工程樣機研制35-57
• 2.1 聚焦雙頻激電儀工程樣機系統(tǒng)簡介35-36
• 2.2 聚焦雙頻激電儀發(fā)送機工程樣機總體方案36-38
• 2.3 主控模塊38
• 2.4 隔離恒流及逆變模塊38-49
• 2.4.1 一次隔離恒流模塊39-48
• 2.4.2 二次恒流48
• 2.4.3 逆變模塊48-49
• 2.5 雙重過壓過流保護模塊49-52
• 2.5.1 雙頻激勵信號輸出端的雙重過流過壓保護模塊49-51
• 2.5.2 串口及485通信的雙重過流過壓保護模塊51-52
• 2.6 性能測試52-55
• 2.6.1 輸出精度52-54
• 2.6.2 信號隔離效果測試54
• 2.6.3 防爆及本安性能測試54-55
• 2.7 本章小結(jié)55-57
• 3 雙頻激電法超前探測建模與關(guān)鍵參數(shù)正反演研究57-71
• 3.1 巷道對探測結(jié)果影響分析57-58
• 3.2 雙頻激電法超前探測建模58-63
• 3.2.1 時域建模59-60
• 3.2.2 雙頻激電法超前探測建模60-63
• 3.3 二極裝置跑極超前探測關(guān)鍵參數(shù)正反演分析63-70
• 3.3.1 雙頻激電法超前探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體關(guān)鍵參數(shù)分析64-67
• 3.3.2 雙頻激電法超前探測陷落柱關(guān)鍵參數(shù)分析67-69
• 3.3.3 雙頻激電法超前探測斷層關(guān)鍵參數(shù)分析69-70
• 3.4 本章小結(jié)70-71
• 4 聚焦雙頻激電法超前探測建模與關(guān)鍵參數(shù)正反演研究71-85
• 4.1 聚焦雙頻激電法超前探測建模71-74
• 4.2 三極聚焦二極裝置跑極探測關(guān)鍵參數(shù)正反演分析74-79
• 4.2.1 三級聚焦二裝置跑極探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體關(guān)鍵參數(shù)分析74-76
• 4.2.2 三級聚焦二級裝置跑極探測陷落柱關(guān)鍵參數(shù)分析76-78
• 4.2.3 三極聚焦二級裝置跑極探測斷層關(guān)鍵參數(shù)分析78-79
• 4.3 五極聚焦二極跑極關(guān)鍵參數(shù)正反演分析79-84
• 4.3.1 五極聚焦二極裝置跑極探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體關(guān)鍵參數(shù)分析80-82
• 4.3.2 五極聚焦二極裝置跑極探測陷落柱關(guān)鍵參數(shù)分析82-83
• 4.3.3 五極聚焦二極裝置跑極探測斷層關(guān)鍵參數(shù)分析83-84
• 4.4 本章小結(jié)84-85
• 5 雙頻激電法超前探測不同布極方案研究85-101
• 5.1 激勵電流場不聚焦不同布極方案研究85-92
• 5.1.1 不聚焦超前探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體布極方案分析86-88
• 5.1.2 不聚焦超前探測陷落柱布極方案分析88-90
• 5.1.3 不聚焦超前探測斷層布極方案分析90-92
• 5.2 激勵電流場聚焦不同布極方案研究92-99
• 5.2.1 聚焦超前探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體布極方案分析92-95
• 5.2.2 聚焦超前探測陷落柱布極方案分析95-98
• 5.2.3 聚焦超前探測斷層布極方案分析98-99
• 5.3 本章小結(jié)99-101
• 6 實驗室模擬試驗研究101-113
• 6.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計101-102
• 6.1.1 模型相似性原理101
• 6.1.2 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)與尺寸101-102
• 6.2 激勵信號發(fā)送機工程樣機功能測試102-103
• 6.3 模擬試驗內(nèi)容及步驟103-111
• 6.3.1 超前探測災(zāi)害性含、導(dǎo)水體模擬試驗與結(jié)果分析104-106
• 6.3.2 超前探測陷落柱模擬試驗與結(jié)果分析106-109
• 6.3.3 超前探測斷層模擬試驗與結(jié)果分析109-111
• 6.4 本章小結(jié)111-113
• 7 結(jié)論與展望113-117
• 7.1 主要研究工作113-115
• 7.2 論文創(chuàng)新點115
• 7.3 展望115-117
• 參考文獻117-125
• 致謝125-127
• 作者簡介127
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文127
• 在學(xué)期間申請且正處于實質(zhì)審查階段的發(fā)明專利127-128
• 在學(xué)期間授權(quán)軟件著作權(quán)128
• 在學(xué)期間參加科研項目128
• 主要獲獎128

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 白海波;繆協(xié)興;;晚古生代煤田水文地質(zhì)特征與防治水理論及技術(shù)[J];中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報;2016年01期

2 張忠國;;煤巷快速掘進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù)[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2016年01期

3 楊增林;杜平;郭子鵬;;煤礦井下掘進工作面超前物探效果分析[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2015年S2期

4 麻昌英;柳建新;孫婭;劉海飛;;高頻大地電磁測深法與雙頻激電法在水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J];物探與化探;2015年05期

5 劉志民;劉希高;張金濤;呂一鳴;周游;吳淼;;交流聚焦激電法煤巷超前探測阻容試驗?zāi)M[J];煤炭學(xué)報;2015年09期

6 王旭昭;侯磊;蘇龍;;2011-2014年全國煤礦重特大事故統(tǒng)計分析與啟示[J];中國公共安全(學(xué)術(shù)版);2015年02期

7 路拓;劉盛東;王勃;;綜合礦井物探技術(shù)在含水斷層探測中的應(yīng)用[J];地球物理學(xué)進展;2015年03期

8 劉志民;劉希高;張金濤;周游;呂一鳴;吳淼;;煤巷含水地質(zhì)構(gòu)造雙頻激電探測阻容模擬試驗[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2015年04期

9 楊振威;鄭偉;李曉斌;王華峰;;頻譜激電法的發(fā)展與展望[J];物探與化探;2015年01期

10 王海生;;2013年國內(nèi)煤礦生產(chǎn)安全事故統(tǒng)計分析[J];中州煤炭;2014年09期

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本文編號：1128651