第一章 引言

1.1 課題背景
我國具有“少油、缺氣、富煤”的能源結(jié)構(gòu)特征，決定了煤炭產(chǎn)業(yè)是國家能源的支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭能源為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費大國，自 2002 年以來，我國煤炭產(chǎn)量由 2002 年的 14.55 億噸增加到2013 的 36.8 億噸，一直占一次性能源消費的 70%左右[1]。伴隨煤炭行業(yè)的迅速發(fā)展，煤礦安全生產(chǎn)狀況明顯好轉(zhuǎn)，死亡人數(shù)迅速下降。然而我國煤炭行業(yè)是事故高發(fā)的高危行業(yè)，安全生產(chǎn)形勢依然十分嚴(yán)峻，與煤炭工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，事故總量仍然偏大，群死群傷惡性故事時有發(fā)生，重大安全隱患還沒有完全消除，給國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命安全和財產(chǎn)損失帶來巨大威脅[2-3]。
我國煤礦絕大多數(shù)為井工開采，存在多種自然災(zāi)害。在采掘過程中井筒和巷道本身要穿越不同的地質(zhì)單元體，將不可避免地遇到突水、巖爆、垮塌及火災(zāi)等地質(zhì)災(zāi)害，對采掘礦工生命安全威脅極大，傷亡事故頻發(fā)。采掘作業(yè)成為煤礦最重要、最危險的前端生產(chǎn)環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，2002 年以來全國煤礦事故死亡約 70%發(fā)生在采掘作業(yè)區(qū)[4]。在煤礦五大災(zāi)害（瓦斯、粉塵、水、火、頂板災(zāi)害）中，水害威脅非常嚴(yán)重，是煤礦的主要災(zāi)害之一。在煤礦重大事故中，水害事故起數(shù)僅次于瓦斯事故。我國煤礦水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，煤礦水害類型多樣，受老空（窯）水、地表水、孔隙水、裂隙水、薄層灰?guī)r和厚層灰?guī)r巖溶水等多種水源的嚴(yán)重威脅[5-6]。

水害事故特點是群死群傷和重大財產(chǎn)損失。水害事故發(fā)生后，搶救難度大、救援復(fù)礦時間長、經(jīng)濟(jì)損失大，造成的社會影響大，同時給礦區(qū)水資源和環(huán)境造成巨大破壞。長期以來，煤礦水害給國家和人民帶來的人身傷亡和財產(chǎn)損失極為慘重。據(jù)統(tǒng)計，2000—2011 年全國共發(fā)生水害事故 1089 起、死亡 4329 人；其中發(fā)生死亡 10 人以上重特大水害事故 87 起、死亡 1649 人，占水害事故的 8%和死亡人數(shù)的 38.1%[6]。如，2007 年 8 月 17 日，山東華源礦業(yè)公司因暴雨洪水、河岸決堤潰水導(dǎo)致洪水淹井，致使 172 人死亡；2010 年 3 月 1 日，神華集團(tuán)烏海能源有限公司駱駝山煤礦重大突水事故，死亡人數(shù) 32 人，突水水源為底板奧灰水；2010年 3 月 28 日，華晉焦煤公司王家?guī)X礦重大透水事故，死亡人數(shù) 38 人，突水水源為老空水。2009 年 11 月 27 日，吉林省梅河口市中和煤礦有限公司井下+143m 水平 7502 采區(qū)采煤工作面發(fā)生重大水害事故，造成 16 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失 794.176萬元。因此，《煤礦防治水規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“礦井必須做好水害分析預(yù)報和充水條件分析，堅持預(yù)測預(yù)報、有掘必探、先探后掘、先治后采的防治水原則”[7-8]。

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1.2 聚焦雙頻激電法煤巷綜掘超前探測技術(shù)基本原理
聚焦雙頻激電法煤巷綜掘超前探測技術(shù)是以雙頻激電法（dual-frequencyinduced polarization method）[24]和聚焦電法為理論基礎(chǔ)，利用雙頻激電法裝置輕便、抗干擾能力強、工效高、儀器穩(wěn)定性好、觀測精度高等優(yōu)點，并充分結(jié)合聚焦電法較強的穿透低阻屏蔽層能力和壓制地表干擾等特點而形成的一種超前探測技術(shù)方法，與該方法相關(guān)的探測原理詳述如下。
1.2.1 激電法探測技術(shù)基本原理
雙頻激電法屬于激電法的一種。激電法是激發(fā)極化法（induced polarizationmethods）的簡稱，是指通過施加外界激勵電場，使地下巖、礦石在人工電場作用下發(fā)生物理和電化學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生隨時間緩慢變化的附加電場（激發(fā)極化電場），根據(jù)巖、礦石不同程度的激發(fā)極化效應(yīng)差異來探明地下介質(zhì)的一種電法勘探方法[25-26]。激發(fā)極化法是最有效的物探方法，其應(yīng)用范圍日益廣泛，在尋找金屬礦、煤田、地下水（包括孔隙水、裂隙水和熔巖水）及解決工程地質(zhì)等領(lǐng)域已取得顯著的地質(zhì)效果[27-31]。
按激電效應(yīng)的類型，可將激發(fā)極化分為兩種：一種是在穩(wěn)定電流（或直流脈沖）激發(fā)下研究電場隨時間充放電過程的激電效應(yīng)，稱為時間域激電法（即直流激電法）；另一種是在交變電流激發(fā)下研究電場隨頻率變化的激電效應(yīng)，稱為頻率域激電法（即交流激電法）。頻率域激電法包括變頻法、相位激電法、頻譜激電法（復(fù)電阻率法）和雙頻激電法。
（1）時間域激電法

時間域激電法（直流激電法）是研究巖礦石可極化介質(zhì)激發(fā)極化效應(yīng)隨時間變化的特性。這個現(xiàn)象可用圖 1.1 測量裝置進(jìn)行說明，由直流激電儀通過供電電極A 和 B 向地下介質(zhì)供穩(wěn)定的直流電流 I ，用毫伏計觀測測量電極 MN 間的電位差MN V 隨時間而變化的暫態(tài)效應(yīng)。當(dāng)電流流過可極化礦體時，在外界電場作用下，礦體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而被“極化”成原電池。由原電池產(chǎn)生的空間電場在 MN 間會形成二次電位差2 V ，2 V 隨時間而變化的過程記為2 V  (t )，如圖 1.2 中的曲線 a所示，其變化速率先快后慢，最后趨于飽和值s V ，像電容器充電一樣，把曲線 a稱為充電曲線。因此，測量電極 MN 間的電位差  V  (t )是供電電場產(chǎn)生的一次電位差1 V 和極化電場產(chǎn)生的二次電位差2 V  (t )之和，是隨時間而變化的函數(shù)。當(dāng)停止向地下供電時，一次電位差1 V 迅速消失，而由極化作用產(chǎn)生的二次電位差2 V (t )先快后慢地減小，經(jīng)數(shù)秒鐘甚至到數(shù)分鐘后才消失，如圖 1.2 中的曲線 b 所示，像電容器放電一樣，把曲線 b 稱為放電曲線。

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第二章 煤巷綜掘超前探測系統(tǒng)及試驗樣機研制

通過綜述聚焦雙頻激電法煤巷綜掘超前探測系統(tǒng)及探測儀原理樣機工作原理，搭建阻容模型網(wǎng)絡(luò)試驗測試裝置，分別對原理樣機發(fā)送機和接收機基本功能進(jìn)行性能測試，針對現(xiàn)存問題提出改進(jìn)設(shè)計方案，完成發(fā)送機信號采集與方波電流控制隔離電路設(shè)計，經(jīng)功能試驗和樣機整機性能試驗，完成探測儀試驗樣機研制，為后續(xù)開展物理模型試驗奠定良好基礎(chǔ)。

2.1 聚焦雙頻激電法煤巷綜掘超前探測系統(tǒng)
超前探測儀發(fā)送機由電源、主控系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)組成，其基本功能是通過主電極和約束電極向掘進(jìn)斷面前方圍巖介質(zhì)同時發(fā)射 5 路極性相同、幅值強度不同、高低頻率組合的雙頻交流調(diào)制方波電流。方波電流的工作頻率有四種：1Hz 及1/13Hz ；2Hz 及 2/13Hz；4Hz 及 4/13Hz；8Hz 及 8/13Hz。通過發(fā)送機調(diào)節(jié)主電極和約束電極屏流比大小，使探測電場在掘進(jìn)面前方發(fā)生不同程度的聚焦效應(yīng)。超前探測儀接收機由接收機主控系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)組成，其基本功能為：通過測量電極接收圍巖介質(zhì)激電信號，對激電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算與顯示；同時可產(chǎn)生 2 路數(shù)字方波控制信號，對發(fā)送機發(fā)射電流頻率進(jìn)行同步性控制；能與發(fā)送機實施通信，通過 RS485 實現(xiàn)發(fā)送機與接收機的數(shù)據(jù)傳輸。
超前探測儀接收機和發(fā)送機供電電源由掘進(jìn)機提供，為語音報警器、電鈴、瓦斯斷電儀提供的 AC127V 電源作為發(fā)送機的輸入電源，為顯示屏、溫度變送器、電壓表、電流表提供的 DC24V 電源作為接收機的輸入電源。超前探測系統(tǒng)的電極由發(fā)射電極（包括主電極和約束電極）、測量電極和接地電極組成。主電極布置在掘進(jìn)斷面中心處，四路約束電極對稱布置在主電極四周，測量電極可在掘進(jìn)斷面上進(jìn)行觀測，具體電極組合裝置設(shè)計將在第五章進(jìn)行論述與分析，接地電極布置在巷道后方數(shù)百米位置上，與發(fā)射電極形成空間閉合回路電場。

根據(jù)發(fā)送機功能要求，設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。發(fā)送機由主控板和輸出板組成。主控板由微處理器、鍵盤、顯示器、通信模塊、電壓電流 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、電流控制模塊、主板電源模塊等組成。鍵盤和顯示器構(gòu)成人機交互界面，由微處理器完成數(shù)據(jù)和命令處理，通過顯示器顯示發(fā)送機輸出電壓、電流和接地電阻；通信模塊按 MODBUS 協(xié)議與接收機進(jìn)行通信，將發(fā)送機實際輸出電流值實時傳給接收機；電壓電流 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的數(shù)字量；主板電源模塊為主板各個模塊供電。

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2.2 超前探測儀原理樣機改進(jìn)設(shè)計
為使探測儀原理樣機能夠開展物理模型試驗探測，必須對原理樣機發(fā)送機和接收機基本功能進(jìn)行測試，試驗以探測儀發(fā)送機發(fā)射雙頻調(diào)制方波電流（頻點可選為 1/13Hz 和 1Hz、2/13Hz 和 2Hz、4/13Hz 和 4Hz、8/13Hz 和 8Hz）為激勵，通過阻容性或純阻性模型網(wǎng)絡(luò)，由接收機和示波器（或高精度采集儀）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理與波形顯示，搭建阻容模型網(wǎng)絡(luò)電路及測試裝置如圖 2.9（a）和（b）所示。
2.2.1 性能測試與原理樣機存在的問題
（1）接收機輸出方波控制信號功能測試
為控制發(fā)送機輸出某一頻率的雙頻調(diào)制方波電流，應(yīng)先對接收機發(fā)射信號控制端 1 和發(fā)射信號控制端 2 發(fā)出的方波控制信號進(jìn)行功能測試。按圖 2.9（a）測試電路連接試驗裝置，并將發(fā)射信號控制端直接與示波器相連，通電后，接收機進(jìn)行系統(tǒng)自檢，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，通過參數(shù)設(shè)置選擇頻點和相位，設(shè)置完成后保存工作參數(shù)并復(fù)位，系統(tǒng)運行，通過示波器觀測輸出方波控制信號如圖 2.10 所示，其輸出波形符合理論設(shè)計要求。
（2）接收機對發(fā)送機頻率和相位同步性控制功能測試
為保證發(fā)送機發(fā)射的雙頻調(diào)制方波電流高低頻相位差為  ，且頻率與接收機內(nèi)部參考信號的頻率一致，儀器設(shè)計中由接收機產(chǎn)生兩路方波參考信號（圖 2.10）對發(fā)送機進(jìn)行同步控制。采用圖 2.9（a）純阻性電路對其功能進(jìn)行測試，通過接收機參數(shù)設(shè)置選擇測量頻點為 1/13Hz 和 1Hz，相位差為  ，經(jīng)純電阻原件后，由示波器顯示雙頻調(diào)制方波電流如圖 2.11 所示。從輸出波形可以看出，，調(diào)制方波電流高低頻率為 1Hz 和 1/13Hz，相位差為  。同理，對其它頻點分別進(jìn)行測試，其結(jié)果均滿足設(shè)計要求。
（3）發(fā)送機單路充放電激電效應(yīng)性能測試

根據(jù)圖 2.9（a）所示的阻容模型測試方案，以發(fā)送機發(fā)射 1 路（其它 4 路可分別單獨進(jìn)行測試）幅值為60mA、相位差為  的高低頻組合的調(diào)制方波電流為激勵，經(jīng)阻容模型 RC 網(wǎng)絡(luò)，由接收機和顯示器分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理和時域波形顯示。取電阻 R1    1k 、 R 2   1k 、電容 C   20 F，通過接收機內(nèi)部程序選擇不同頻點分別進(jìn)行性能試驗測試。在 BM 兩端和 MN 兩端測量的時域波形如圖 2.12 所示，其時域波形變化趨勢與電路理論計算分析相一致，BM 兩端為純電阻性元件，輸出曲線為雙頻調(diào)制方波電壓信號（圖 2.12（a）），MN 兩端為阻容性元件，輸出曲線為具有激發(fā)極化現(xiàn)象的電壓信號（圖 2.12（b））。

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第三章 電極設(shè)計與接地電阻對激電測量影響分析.....................45
3.1 接地電阻計算方法及電極尺寸參數(shù)的確定 ....................45
3.1.1 電極設(shè)計基本要求及材料選擇 .............................45
3.1.2 接地電阻計算方法 ..........................................46
第四章 聚焦雙頻激電法探測工作頻率選擇研究......................67
4.1 工作頻率對聚焦雙頻激電法測量影響研究 .....................67
4.1.1 工作頻率選擇對激電異常幅度的影響 ........................67
4.1.2 影響工作頻率選擇因素分析 ................................68
第五章 聚焦雙頻激電法探測數(shù)值模擬與電極組合方式研究.............81
5.1 聚焦雙頻激電法煤巷超前探測數(shù)值模擬 ........................81

5.1.1 煤巷三維點源場的邊值與變分問題 ...........................81

第六章 煤巷含水地質(zhì)構(gòu)造探測物理模型試驗研究

為進(jìn)一步驗證探測儀試驗樣機的準(zhǔn)確性和可靠性，研究煤巷含水地質(zhì)構(gòu)造激電效應(yīng)特性變化規(guī)律及聚焦雙頻激電法超前探測機理的可行性，本章根據(jù)煤礦井下含水地質(zhì)構(gòu)造特點，通過搭建阻容和土槽物理模型試驗平臺，開展聚焦雙頻激電法煤巷含水地質(zhì)構(gòu)造激電效應(yīng)特性和水平向前探測試驗?zāi)M。此研究對研制工程樣機，指導(dǎo)煤礦井下工業(yè)性試驗，創(chuàng)成聚焦雙頻激電法探測技術(shù)具有重要意義。

6.1 聚焦雙頻激電法煤巷含水地質(zhì)構(gòu)造探測阻容模型試驗?zāi)M
煤礦圍巖地質(zhì)工況復(fù)雜，常受強電磁干擾環(huán)境影響，現(xiàn)有的頻域激電儀僅用于地面或隧道探測，尚未應(yīng)用于煤礦井下。為弄清煤巷圍巖介質(zhì)及含水異常體的激發(fā)極化特性，驗證聚焦雙頻激電法原理樣機的準(zhǔn)確性和可靠性，創(chuàng)成聚焦雙頻激電法煤巷綜掘探測技術(shù)。本節(jié)基于阻容模型網(wǎng)絡(luò)，針對煤巷含水地質(zhì)構(gòu)造開展聚焦雙頻激電效應(yīng)探測試驗?zāi)M，進(jìn)而得出含水地質(zhì)構(gòu)造激發(fā)極化特性變化規(guī)律。
6.1.1 構(gòu)造含水地質(zhì)構(gòu)造物理模型
根據(jù)聚焦雙頻激電法超前探測機理，在電場聚焦效應(yīng)下，與其它聚焦電法相類似，電流場像探照燈一樣主要沿掘進(jìn)斷面正前方向傳播，沿掘進(jìn)面正前方電流密度遠(yuǎn)大于其圍巖四周的電流密度。此時，試驗?zāi)M探測僅考慮沿掘進(jìn)斷面正前方的煤巷地質(zhì)構(gòu)造，而忽略其周圍圍巖的影響。大量野外和室內(nèi)觀測資料表明，石墨和含碳巖石電子導(dǎo)體、地下水離子導(dǎo)體具有各不相同的激發(fā)極化性質(zhì)和特點，從微觀上看，都具有面極化特性[24,130]，即把煤巷圍巖介質(zhì)的激發(fā)極化特性看為面極化。當(dāng)在階躍電流激發(fā)下，面極化體有一個充電和放電過程，其阻抗是充電時間和放電時間的函數(shù)。

土槽模型試驗是超前探測正演最為有效的物理模擬方法之一，為進(jìn)一步驗證含水地質(zhì)構(gòu)造聚焦雙頻激電法超前探測機理的可行性，論文以物理現(xiàn)象相似性原理為理論基礎(chǔ)，在平坦大地上開挖與煤巷激電效應(yīng)探測相似的地電模型，分別開展無約束激電效應(yīng)和聚焦激電效應(yīng)試驗探測模擬。

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第七章 結(jié)語與展望

7.1 主要研究工作
主要研究工作如下：
1）針對聚焦雙頻激電儀原理樣機存在的問題，提出改進(jìn)設(shè)計方案，完成試驗樣機研制；
在聚焦雙頻激電儀原理樣機發(fā)送機和接收機設(shè)計的基礎(chǔ)上，搭建阻容模型網(wǎng)絡(luò)試驗測試裝置，按照儀器系統(tǒng)功能設(shè)計要求，分別對發(fā)送機充放電激電效應(yīng)、恒流限壓、多路電流幅值可控性、接收機輸出方波控制信號及對發(fā)送機同步性控制等功能進(jìn)行測試，針對發(fā)送機單路電流幅值不能任意設(shè)定問題，提出改進(jìn)設(shè)計方案，利用線性光耦技術(shù)分別對發(fā)送機信號采集與方波電流控制隔離電路進(jìn)行設(shè)計。通過對改進(jìn)后的樣機功能和整機進(jìn)行性能試驗，測試結(jié)果表明研制的試驗樣機可滿足物理模型試驗探測要求，測量幅值和相位具有較高的觀測精度和較好的穩(wěn)定性，且測量相位比測量幅值具有更高的精度，為后續(xù)開展物理模型試驗探測奠定良好基礎(chǔ)。
2）針對煤巷實際地質(zhì)條件，選擇設(shè)計探測電極，分析接地電阻和電磁耦合干擾對雙頻激電測量影響，提出適合煤巷超前探測的減小接地電阻方法；

根據(jù)煤巷綜掘探測電極設(shè)計的基本要求，選擇電極材料，討論棒狀電極接地電阻計算方法，分析圍巖介質(zhì)電阻率、電極入土深度、電極半徑等多種因素對接地電阻大小的影響，確定電極尺寸參量。為提高激發(fā)極化測量精度，減小接地電阻和電磁耦合干擾對雙頻激電測量影響，根據(jù)雙電層電容器與激發(fā)極化機理的相似性，計算極化單元模型等效網(wǎng)絡(luò)電路復(fù)阻抗，采用量綱分析理論驗證復(fù)阻抗與雙電層電容器的等效性，通過搭建簡易給定參量阻容模型激電效應(yīng)試驗測試裝置，分析其精度和可靠性，進(jìn)而完成激電效應(yīng)阻容模型網(wǎng)絡(luò)測試方案設(shè)計。試驗以超低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的高低頻率組合的調(diào)制方波信號為激勵，由高精度數(shù)據(jù)采集分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，分別在有無電磁耦合干擾時，模擬分析接地電阻對視幅頻率的影響程度及變化規(guī)律，得出接地電阻是否需要減小及有效抑制電磁干擾的方法。同時結(jié)合煤巷實際地質(zhì)工況條件，提出適合煤巷超前探測的減小接地電阻方法。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：40841