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煤巷掘进作业作为最重要、最危险的前端生产环节,不可避免地遇到突水、岩爆、垮塌及火灾等地质灾害,对掘进矿工生命安全威胁极大,伤亡事故频发。在煤矿五大地质灾害(瓦斯、粉尘、水、火、顶板灾害)中,水害威胁非常严重,是煤矿的主要灾害之一。为消除安全生产隐患,提高掘进工作面工作效率和安全保障系数,实现掘进过程远程自动控制、无人化作业,应合理解决“探测、掘进、支护、锚固”四大工序之间相互制约的矛盾,突破超前探测、快速支护、掘进机自动控制3个关键技术。具体到煤巷综掘超前探测方面,如何有效、准确查明掘进前方隐伏的有害地质构造(含水地质构造、断层地质构造和陷落柱地质构造),特别是含水地质构造已成为煤炭生产中亟待解决的技术难题。这些隐伏的有害地质构造在地质勘查的宏观探查过程中很难发现和准确定位,采用传统的钻探方法,成本高、设备笨重、工期长、效率低,往往不能得到令人满意的效果。和钻探法技术相比,物探已经成为解决煤矿地质构造、安全隐患探测的重要技术手段,相对具有快速、方便、经济、分辨率高、控制范围大等技术优势,在煤矿防治水领域得到了极大的推广和应用。现有的煤巷超前探测物探方法主要有:矿井直流电法、瞬变电磁法、矿井地质雷达法以及地震波勘探法等。利用这些物探方法进行煤矿井下超前探测,仍有其不足之处:存在探测准确率低、实时性差、方向性差、效率低、成本高、抗干扰能力差、探掘分离等问题,造成“探、掘”矛盾日益凸显,严重制约了煤矿综合机械化水平和生产效率的提高。随着直流聚焦电阻率法、直流聚焦激电法和交流聚焦激电法理论的提出及其在地面或隧道超前探测领域的成功应用,极大地推动了聚焦电法理论的研究范围。中国矿业大学(北京)针对现有煤巷物探技术之缺陷,基于这些研究理论和探测方法的基础上,结合煤矿特殊地质环境,提出一种适合煤矿井下超前探测的新方法——聚焦双频激电法煤巷综掘超前探测技术。该技术以双频激电法和聚焦电法为理论基础,充分利用双频激电法装置轻便、抗干扰能力强、工效高、稳定性好、观测精度高等优点,并结合聚焦电法较强的穿透能力和压制地表干扰等特点而形成的一种超前探测技术方法。本文在聚焦双频激电法原理样机设计及探测机理现有研究的基础上,围绕探测仪原理样机改进设计及煤巷超前探测关键技术开展研究。基于阻容模型网络对样机性能进行测试,提出改进设计方案,完成试验样机的研制;针对煤巷围岩地质工况,研究接地电阻计算方法及其影响因素,确定电极尺寸参数,提出适合煤矿超前探测的减小接地电阻方法;研究介质参量对Cole-Cole模型频谱特性的影响,仿真分析视幅频率随工作频率及cole-cole模型参量变化规律,确定发射电极工作频率;设计不同的电极组合装置,利用有限单元法分析均质和含水地质构造模型激电参量变化规律,确定煤巷超前探测最佳电极组合装置;搭建含水地质构造阻容和土槽物理模型试验平台,研究双频激电效应特性变化规律,验证聚焦双频激电法探测机理的可行性和有效性。此研究为工程样机研制及煤矿井下工业性试验奠定良好基础,对创成煤巷聚焦双频激电法探测技术具有重要价值,为使探测与掘进机协同作业,随掘随探,保障煤矿综掘安全、高效生产具有重要意义。本文主要研究工作如下:(1)基于阻容模型网络对原理样机性能进行测试,针对存在的问题,提出改进设计方案,完成可用于物理模型试验探测的试验样机;在聚焦双频激电仪原理样机设计的基础上,搭建阻容模型网络试验测试装置,按照仪器系统功能设计要求,分别对发送机充放电激电效应、恒流限压、多路电流幅值可控性及接收机输出方波控制信号等功能进行测试,针对发送机单路电流幅值不能任意设定问题,提出改进设计方案,利用线性光耦技术分别对发送机信号采集与方波电流控制隔离电路进行设计。通过对改进后的样机功能和整机进行性能试验,测试结果表明研制的试验样机可满足物理模型试验探测要求,测量幅值和相位具有较高的观测精度和较好的稳定性,且测量相位比测量幅值具有更高的精度,为后续开展物理模型试验探测奠定良好基础。(2)针对煤巷实际地质条件,确定电极尺寸参数,模拟分析接地电阻和电磁耦合干扰对双频激电测量影响,提出适合煤巷超前探测的减小接地电阻方法;根据煤巷综掘探测电极设计的基本要求,选择电极材料,研究棒状电极接地电阻计算方法,分析围岩介质电阻率、电极入土深度、电极半径等多种因素对接地电阻大小的影响,确定电极尺寸参量。为提高激发极化测量精度,减小接地电阻和电磁耦合干扰对双频激电测量影响,根据双电层电容器与激发极化机理的相似性,计算极化单元模型等效网络电路复阻抗,采用量纲分析理论验证复阻抗与双电层电容器的等效性,通过搭建简易给定参量阻容模型激电效应试验测试装置,分析其精度和可靠性,完成阻容模型网络激电效应测试方案设计。试验以超低频信号发生器产生的高低频率组合的调制方波信号为激励,通过阻容模型网络,由高精度数据采集分析仪进行数据采集与处理,分别在有无电磁耦合干扰时,模拟分析接地电阻大小对视幅频率的影响程度及变化规律,得出接地电阻是否需要减小及有效抑制电磁干扰的方法。同时结合煤巷实际地质工况条件,提出适合煤巷超前探测的减小接地电阻方法。(3)仿真分析复电阻率及视幅频率随工作频率与cole-cole模型参量变化规律,确定煤巷综掘探测发射电极工作频率和频比系数;首先定义归一化异常幅度概念,分析工作频率对极化体激电异常幅度及观测精度的影响;然后根据cole-cole模型理论及视幅频率定义,利用matlab软件仿真复电阻率及视幅频率随工作频率与cole-cole模型参量(充电率m、频率相关系数c、时间常数?)变化规律,得出不同地质条件下充放电时间常数?对视幅频率极值处的特征频率影响最为显著,实际测量时主要根据参量?选择工作频率;最后分析实测视幅频率的大小对测量精度的影响,得出在仪器测量精度保持不变的情况下,通过合理选择工作频率,可以提高探测仪相对观测精度;根据煤巷实际地质工况激发极化特点,考虑工作效率和电磁耦合效应的影响,确定探测仪发射电极工作频率选用1/13hz和1hz频率对,频比系数取13。(4)利用有限单元法计算三维空间场电位分布,数值模拟分析不同电极组合装置聚焦探测效果,提出最佳电极组合装置超前探测方法;首先在煤巷三维点源场边值条件与等价变分问题的基础上,推导聚焦双频激电法多点源场异常电位的等价变分问题,采用六面体单元和三线性插值进行区域剖分,计算不同频率方波电流激发时视幅频率和视电阻率参量。搭建煤巷均匀介质和含水地质构造三维空间探测模型,对地电模型的数值解与解析解计算结果进行对比分析,验证了利用matalb软件进行有限元数值模拟计算具有较高的精度,完全满足正演精度要求。针对发射电极数目、测量电极观测装置、约束电极约束平面方位及与主电极相对位置、主电极与约束电极间屏流比系数等问题,设计不同的电极组合装置,分析煤巷均介质和含水地质构造三维空间探测激电参量曲线变化规律,比较聚焦探测效果,确定发射电极采用五路聚焦五极布极装置方式,约束电极布置在断面四边的中点处,测量电极采用三极装置进行观测,屏流比取1:2的最佳电极组合装置探测方法。(5)开展煤巷含水地质构造阻容和土槽物理模型试验,得出不同规模含水地质构造探测双频激电效应特性变化规律,验证聚焦双频法探测技术的可行性和有效性。首先,根据煤巷含水地质构造理想物理模型,搭建等效的阻容模型网络测试装置,通过改变阻容模型参量,模拟不同规模含水地质构造探测过程,得出其激电效应特性变化规律:当测量电极靠近含水异常体时,视电阻率值逐渐减小,而视幅频率值逐渐变大;当异常体规模由大变小时,在相同测点处视幅频率值减小,而视电阻率值增大,即视幅频率值测量对异常体规模变化更为敏感。其次,在平坦大地上开挖与煤巷综掘探测相似的地电模型,分别开展不同规模、不同方位的含水地质构造无约束激电效应和聚焦激电效应探测试验模拟,并对试验测试结果进行对比分析,测试结果表明:采用聚焦双频激电法进行超前探测可大大缩短测量时间,不仅能够确定异常体在掘进断面前方的具体方向,而且能够根据多个相邻断面间距离及激电异常参量极值点处的电流强度估算异常体距掘进断面的实际距离。