劉志民，孟彩茹，李 冰，韓 雷，潘 越

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煤巷聚焦多點(diǎn)電源探測電場超前掃描控制策略

劉志民，孟彩茹，李 冰，韓 雷，潘 越

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 050638)

為實(shí)現(xiàn)煤巷聚焦多點(diǎn)電源有效探測電場聚焦深度掃描和偏轉(zhuǎn)角度掃描，準(zhǔn)確把握有效探測電場的變化規(guī)律，根據(jù)超前掃描探測機(jī)理，利用高斯定理，采用兩種不同的方法對(duì)積分過程進(jìn)行求解，推導(dǎo)單根有限長均勻帶電直線電極的電場線方程。利用電場線空間分布的對(duì)稱性，歸納推理共面多電極電場線方程。改變聚焦屏流比系數(shù)，計(jì)算有效探測電場線邊界線方程，分析平均電流密度及空間立體角變化規(guī)律；同時(shí)改變聚焦屏流比系數(shù)和偏轉(zhuǎn)屏流比系數(shù)，分析電場邊界線下邊界角及偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，確定出超前掃描探測主電極與約束電極發(fā)射電流取值范圍。此研究為野外開展聚焦多點(diǎn)電源電法勘探提供技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)完善聚焦電法勘探機(jī)理，推動(dòng)該技術(shù)理論發(fā)展具有重要意義。

聚焦多點(diǎn)電源；電場線；聚焦效應(yīng)；偏轉(zhuǎn)效應(yīng)；超前掃描探測控制策略

礦井直流電法超前探測技術(shù)是一種全空間電法勘探技術(shù)，理論成熟、工序簡單、方法靈活、探測距離大、對(duì)含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造敏感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在礦井水文地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測中得到了廣泛應(yīng)用[1]。礦井直流電法探測其發(fā)射電極沿坑道豎直向下布置，受電場全空間效應(yīng)影響，電流分布具有分散性，呈輻射狀向四周傳播，且常受坑道后方及旁側(cè)浮塵、軌道、機(jī)電設(shè)備、淺部低阻疏松層屏蔽效應(yīng)等電磁干擾影響，造成探測結(jié)果與實(shí)際工程地質(zhì)工況存在一定的偏差[2-3]。為使電流沿掘進(jìn)斷面前方集中傳播，減小電場全空間效應(yīng)及干擾因素影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出聚焦多點(diǎn)電源勘探技術(shù)。20世紀(jì)70年代，印度學(xué)者A. Roy等[4]提出直流聚焦激電法勘探理論，并開展了物理模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M；R. N. Gupta等[5]從理論和試驗(yàn)方面對(duì)比分析了直流聚焦電阻率法和雙極裝置的優(yōu)缺點(diǎn)；C. Panissod等[6]采用直流聚焦電阻率法在考古學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M測試。國內(nèi)學(xué)者[7-9]針對(duì)直流聚焦電阻率法探測機(jī)理、試驗(yàn)?zāi)M及資料解譯方法等方面開展大量研究。2004年德國GET(Geo Exploration Technologies)公司研制了BEAM(Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring)法隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)(聚焦變頻激電法)，在國內(nèi)物探領(lǐng)域已取得了較好的應(yīng)用效果[10-11]。文獻(xiàn)[12-13]在直流聚焦激電法、直流聚焦電阻率法和聚焦變頻激電法等探測方法研究基礎(chǔ)上，將聚焦電法理論與雙頻激電法[14]理論相互融合，充分利用兩種探測方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種多參量(視電阻率、視幅頻率、視相頻率)綜合檢測與評(píng)判的坑道超前勘探方法——聚焦雙頻激電法探測技術(shù)，并針對(duì)儀器研制及模型試驗(yàn)等方面開展研究。

上述聚焦電法勘探技術(shù)均根據(jù)同性多點(diǎn)電源相互排斥原理，使主電極和約束電極同時(shí)發(fā)射同性不等強(qiáng)度的電流場，利用約束電極對(duì)主電極的約束作用，在掘進(jìn)斷面前方形成集中穩(wěn)定的半空間探測電場。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)前方不同方位和距離異常地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確探測，勢必對(duì)探測電場的傳播方向和傳播距離進(jìn)行靈活有效地控制。為此，筆者在文獻(xiàn)[12-13]基礎(chǔ)上，通過推導(dǎo)聚焦多點(diǎn)電源電場線方程，分析探測電場空間分布特征，提出聚焦與偏轉(zhuǎn)掃描探測控制策略，合理地確定出主電極與約束電極發(fā)射電流取值范圍。本研究對(duì)完善聚焦多點(diǎn)電源電法勘探理論，提高資料反演解譯及模型正演模擬的準(zhǔn)確性和有效性，推動(dòng)電法勘探理論的發(fā)展具有重要意義。

1 超前掃描探測基本原理

圖1 電極布置方式

圖2 超前掃描探測

Fig.2 Advanced scanning detection

2 多點(diǎn)電源電場線方程推導(dǎo)

為準(zhǔn)確把握煤巷多點(diǎn)電源超前掃描探測聚焦與偏轉(zhuǎn)效應(yīng)變化規(guī)律，可用空間電場線從幾何上由定性到定量直觀形象地刻畫。電場線是法拉第為描繪靜電場的形狀和空間分布特征而引入的一系列假想曲線，曲線上每個(gè)點(diǎn)的切線方向(d)與該點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向()相一致[15-16]。推導(dǎo)多點(diǎn)電源電場線方程，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算多根有限長均勻帶電直線電極的電場線方程。若按電場線定義計(jì)算，微分方程d×=0求解過程較為復(fù)雜，而利用高斯定理[17]進(jìn)行計(jì)算，其過程簡潔直觀。

2.1 單電極電場線方程

對(duì)上兩式求積分，得

同理可得

圖3 單電極電流源空間電場

Fig.3 Spatial electric field of single electrode current source

2.2 共面多電極電場線方程

則共面多電極電場線方程為

3 聚焦與偏轉(zhuǎn)效應(yīng)探測控制策略

3.1 聚焦效應(yīng)探測控制策略

自主研制的超前探測儀發(fā)送機(jī)可同時(shí)發(fā)送5路電流幅值在10~100 mA范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的雙頻調(diào)制方波[13]，設(shè)主電極發(fā)射電流0=30 mA，約束電極電流1=330 mA，即聚焦屏流比系數(shù)1=3==1。煤礦井下巷道有效掘進(jìn)斷面面積通常為5 m×5 m，設(shè)電極空間坐標(biāo)2.5 m，計(jì)算此時(shí)電場線微分方程，得到沿掘進(jìn)方向(面軸正向)聚焦效應(yīng)電場線分布情況如圖4所示。從電場線分布情況可以看出，有效探測電場在約束電場作用下，沿?cái)嗝嬲胺郊袀鞑?，形成了較好的聚焦效應(yīng)。

圖4 聚焦效應(yīng)電場線分布

圖5 邊界角與偏轉(zhuǎn)角定義

圖6 平均電流密度變化規(guī)律

保持主電極發(fā)射電流0不變，考慮探測儀器發(fā)射電流上限不超過100 mA，使聚焦屏流比系數(shù)1=3在0.95~5范圍內(nèi)變化，得到聚焦掃描探測電場邊界線如圖7所示，其有效探測電場空間立體角隨聚焦屏流比系數(shù)的變化曲線如圖8所示。隨聚焦屏流比系數(shù)的增大，聚焦效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，空間立體角逐漸減小，當(dāng)>3.5時(shí)，減小程度趨于平緩，即此時(shí)聚焦效應(yīng)變化已不明顯。因此，采用聚焦效應(yīng)特性進(jìn)行深度掃描探測，聚焦屏流比系數(shù)宜選擇在3.0≤≤3.5，主電極發(fā)射電流控制在28 mA≤ I≤33 mA范圍內(nèi)，此時(shí)可獲得最佳的聚焦效應(yīng)探測效果。

3.2 偏轉(zhuǎn)效應(yīng)探測控制策略

圖7 聚焦掃描探測電場邊界線

圖8 空間立體角變化規(guī)律

圖9 偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律

圖10 電場邊界線下邊界角變化規(guī)律

4 結(jié)論

a.共面多電極電場線方程等于空間任意點(diǎn)到各電極兩端點(diǎn)距離之差與聚焦屏流比系數(shù)乘積的代數(shù)和，且為某一常量，即僅與各電極空間坐標(biāo)位置以及聚焦屏流比系數(shù)和偏轉(zhuǎn)屏流比系數(shù)有關(guān)，而與主電極發(fā)射電流無關(guān)。

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Detection electric field control strategy for advanced scanning detection of focusing multipoint current sources in coal mine roadway

LIU Zhimin, MENG Cairu, LI Bing, HAN Lei, PAN Yue

(College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China)

In order to realize the effective detection of electric field focusing depth and deflection angle scanning of focusing multipoint current sources in coal mine roadway, and accurately grasp its variation, according to the advanced scanning detection mechanism, Gauss theorem and two different methods were used to solve the integration process and derive the electric field line equation of a uniformly charged linear electrode with finite length. The electric field line equation of coplanar multi-electrode layout is induced and deduced through using its spatial distribution symmetry. By changing focusing shielding current ratio coefficient, this paper calculates the boundary line equation of effective detection electric field lines and analyzed the variation of average current density and spatial angle. The lower boundary angle and the deflection angle variations of the electric field boundary line were analyzed through changing simultaneously focusing and deflection shielding current ratio coefficients. The range of emission current intensity of the main electrode and the constrained electrode for advanced scanning detection was determined. This research will provide a technical guidance for the electric survey of focusing multipoint current sources in the field, and is of great significance for improving the exploration mechanism of focusing electric method and promoting the development of geophysical theory.

focusing multipoint current sources; electric field lines; focusing effect; deflection effect; control strategy for advanced scanning detection

Natural Science Foundation of Hebei Province，China(D2017402158)

劉志民，1975年生，男，河北承德人，博士，副教授，從事電法超前探測理論與應(yīng)用研究. E-mail：liuzhiminhd@126.com

孟彩茹，1980年生，女，河北石家莊人，博士，副教授，從事煤礦機(jī)電一體化技術(shù)研究. E-mail：mengcairu1980@163.com

劉志民，孟彩茹，李冰，等. 煤巷聚焦多點(diǎn)電源探測電場超前掃描控制策略[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：195–200.

LIU Zhimin，MENG Cairu，LI Bing，et al. Detection electric field control strategy for advanced scanning detection of focusing multipoint current sources in coal mine roadway[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：195–200.

1001-1986(2019)03-0195-06

P631；TD82

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.030

2018-02-07

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(D2017402158)

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)