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        礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)研究與應(yīng)用

        2023-11-29 10:15:56溫亨聰劉寶寶楊海濤
        煤礦安全 2023年11期
        關(guān)鍵詞:測量法測量點端口

        溫亨聰 ,劉寶寶 ,楊海濤

        (河南焦煤能源有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,河南 焦作 454002)

        我國多數(shù)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜,隨著煤礦開采規(guī)模擴(kuò)大,開采深度增加,開采時所承受的水壓增大,煤礦井下突水事故增加,重特大突水事故頻發(fā)[1-2]。國內(nèi)外對礦井水害的探測,經(jīng)過多年實踐與應(yīng)用,普遍采用礦井電法對工作面進(jìn)行賦水性探測。其中,礦井音頻電透視技術(shù)憑借其對煤層頂?shù)装鍘r性變化反應(yīng)靈敏的特點,多應(yīng)用于探測工作面頂、底板巖層內(nèi)的賦水性變化情況,在礦井水害防治方面取得了良好效果[3]。

        但隨著煤礦開采不斷智能化、機(jī)械化,工作面也向著大型化、規(guī)?;l(fā)展,礦井音頻電透視在滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求方面存在諸多不足[4]。如在供電巷道內(nèi)施工時,供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜與供電點在空間上相互綁定,供電點改變移動時,供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜也必須跟隨頻繁移動,操作人員繁多、施工復(fù)雜、耗時耗力;音頻電透視勘探普遍采用“定點測量法”施工方式,工作方法與礦井無線電透視類同,具有定點供電,多點測量的特點,探測時需對每個供電點供電,對應(yīng)在測量巷道的扇形對稱區(qū)域內(nèi)布置多個觀測點依次進(jìn)行單通道測量,測量點存在大量重復(fù)測量情況,增加人員勞動強(qiáng)度及施工時間,施工復(fù)雜、通信困難、勞動強(qiáng)度大、工作效率低,嚴(yán)重影響礦井音頻電透視勘探的推廣應(yīng)用[5-7]。

        為此,根據(jù)礦井電法現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展情況,結(jié)合音頻電透視井下施工布置,創(chuàng)新提出了1 種高效、準(zhǔn)確的礦井音頻電透視探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)為供電方式,提高物探效率;供電端口集中控制模式,減少人工誤操作,提高采集準(zhǔn)確性;類同步測量法為數(shù)據(jù)采集優(yōu)化方式,提高方法實用性,實現(xiàn)工作面音頻電透視的高效、準(zhǔn)確探測。

        1 方法原理

        1.1 礦井音頻電透視法

        礦井音頻電透視法是以煤、巖層的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),通過人工向地下供入音頻范圍內(nèi)的低頻電流,觀測大地電場的分布規(guī)律,結(jié)合礦井地質(zhì)條件,推斷工作面頂、底板一定深度范圍內(nèi)含水地質(zhì)體的性質(zhì)、富水強(qiáng)度、空間連通形態(tài)以及分布范圍[8]。它與礦井無線電坑透法類似,均依據(jù)CT 掃描工作原理,利用2 條相對巷道交替進(jìn)行發(fā)射和接收,記錄發(fā)射電流和接收的一次場電位差,結(jié)合工作面幾何參數(shù)計算出每個發(fā)射點對應(yīng)的每個接收點的視電導(dǎo)率值,多重交匯,繪制出工作面中一定深度范圍內(nèi)巖層平均視電導(dǎo)率值的平面等值線圖,從而得知此范圍內(nèi)富、導(dǎo)水區(qū)域的平面分布位置和特征[9]。

        1.2 類同步測量法

        類同步測量法是音頻電透視勘探的優(yōu)化施工方式,具有定點測量、多點多頻供電的特點:測量時,測量點在一定的時間內(nèi)相對固定,明確每個測量點所對應(yīng)的全部供電點,并依序逐點對供電點進(jìn)行多頻供電,一次性完成同一測量點的所有場強(qiáng)值觀測。當(dāng)同一測量點所有場強(qiáng)值觀測完畢后,固定測量點依序后移,重復(fù)上述操作直至測量巷道內(nèi)所有測量點觀測結(jié)束。“類同步測量法”中測量點的移動為正向前進(jìn),避免測量點的往返重復(fù)測量,減少人員勞動強(qiáng)度及施工時間,提高礦井音頻電透視勘探的工作效率[10]。

        2 系統(tǒng)組成及特點

        礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)涉及礦井水害防治技術(shù)領(lǐng)域,主要包括礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)、供電端口集中控制模式、類同步測量數(shù)據(jù)采集法。其采用礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)為供電方式,提高物探效率;供電端口集中控制模式,減少人工誤操作,提高采集準(zhǔn)確性;類同步測量法為數(shù)據(jù)采集優(yōu)化方式,提高方法實用性,實現(xiàn)工作面音頻電透視的高效、準(zhǔn)確探測。

        2.1 音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)

        礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)是供電端口轉(zhuǎn)換盒和供電集成大線的高效組合應(yīng)用,是對現(xiàn)有礦井音頻電透視法的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新,其包括供電集成大線、供電端口轉(zhuǎn)換盒、航空接頭、供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)電纜和無窮遠(yuǎn)電極。

        礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1。

        圖1 礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine audio electric perspective power supply integrated network

        礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時,在距工作面的一定距離的巷道底板布置無窮遠(yuǎn)電極,無窮遠(yuǎn)電極與供電主機(jī)用無窮遠(yuǎn)電纜連接;在工作面供電巷道施工區(qū)段內(nèi)一次性布置好所有的供電電極,供電電極按照固定間距布置在巷道底板中;供電電極通過供電端口外延線與供電集成大線依次連接,供電集成大線與供電端口轉(zhuǎn)換盒相接,供電端口轉(zhuǎn)換盒與供電主機(jī)連接,形成礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)能一次布線、一次布極,快速完成音頻電透視勘探在區(qū)段內(nèi)任意供電點的供電操作,優(yōu)化測點施工方式,形成“類同步測量法”,避免測量點的往返重復(fù)測量,減少人員勞動強(qiáng)度及施工時間,提高礦井音頻電透視勘探的工作效率。

        2.2 供電端口集中控制模式

        礦井供電端口集中控制模式主要通過供電端口轉(zhuǎn)換盒和供電集成大線的組合實現(xiàn)。

        供電集成大線由高強(qiáng)度多芯電纜、供電端口、供電端口外延線、航空接頭公頭組成。供電集成大線示意圖如圖2。

        圖2 供電集成大線示意圖Fig.2 Diagram of centralized power supply line

        高強(qiáng)度多芯電纜由若干絕緣線芯組成,高強(qiáng)度多芯電纜兩端均安設(shè)有航空接頭公頭,航空接頭公頭與高強(qiáng)度多芯電纜內(nèi)絕緣線芯連接,高強(qiáng)度多芯電纜上每隔一定間距布設(shè)供電端口,供電端口向外連接有供電端口外延線,供電端口外延線與高強(qiáng)度多芯電纜內(nèi)部的絕緣線芯按一定順序匹配連接。

        供電端口轉(zhuǎn)換盒包括高強(qiáng)度塑料盒、多擋波段開關(guān)、接線柱、航空接頭母頭、內(nèi)置連接線纜。供電端口轉(zhuǎn)換盒示意圖如圖3。

        圖3 供電端口轉(zhuǎn)換盒示意圖Fig.3 Diagram of power supply port conversion box

        供電端口轉(zhuǎn)換盒頂部安裝有多擋波段開關(guān)和接線柱,供電端口轉(zhuǎn)換盒兩側(cè)各安設(shè)1 個航空接頭母頭,航空接頭母頭與供電集成大線的航空接頭公頭相連,兩側(cè)航空接頭母頭通過內(nèi)置連接線纜與多擋波段開關(guān)匹配連接,多擋波段開關(guān)和接線柱通過內(nèi)置連接線纜相連接,接線柱作為輸入端口與供電主機(jī)連接。

        多擋波段開關(guān)每個擋位與每條絕緣線芯、每個供電端口存在一一對應(yīng)、匹配連接的關(guān)系,多擋波段開關(guān)的擋位數(shù)量是供電集成大線內(nèi)絕緣線芯數(shù)量的2 倍,數(shù)量的選擇可根據(jù)具體施工要求進(jìn)行靈活調(diào)整。供電集成系統(tǒng)電路示意圖如圖4。

        圖4 供電集成系統(tǒng)電路示意圖Fig.4 Circuit diagram of centralized power supply system

        2.3 類同步測量法

        類同步測量法示意圖如圖5。

        圖5 類同步測量法示意圖Fig.5 Schematic diagram of quasi-synchronous measurement method

        實際物探施工過程中,在供電巷道內(nèi)對供電網(wǎng)絡(luò)采用多頻依次供電時,供電主機(jī)固定安設(shè)在供電端口轉(zhuǎn)換盒附近,每次供電時撥動多擋波段開關(guān)的不同擋位,完成巷道內(nèi)對應(yīng)位置的供電電極的供電操作;在測量巷道采用“類同步測量法”為施工方式,測量點在一定的時間內(nèi)相對固定,明確每個測量點所對應(yīng)的全部供電點,依序撥動多擋波段開關(guān)的擋位對供電點逐點進(jìn)行多頻供電,快速完成同一測量點的多頻多點供電施工;當(dāng)同一測量點所有場強(qiáng)值觀測完畢后,固定測量點依序后移,重復(fù)上述操作直至測量巷道內(nèi)所有測量點觀測結(jié)束。

        2.4 系統(tǒng)特點

        1)供電集成網(wǎng)絡(luò),提高物探效率。系統(tǒng)采用供電集成網(wǎng)絡(luò),一次布線、一次布極,連接施工區(qū)段內(nèi)所有的供電電極,供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜只需固定安置在供電端口轉(zhuǎn)換盒附近,解除了供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜與供電點在空間上的綁定,避免了隨供電點改變而頻繁移動的狀況,提高了井下物探的施工效率。

        2)供電集中控制,提高采集準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用的供電端口轉(zhuǎn)換盒操作簡單、簡潔明了,通過撥動多擋波段開關(guān)的不同擋位,快速完成音頻電透視勘探在區(qū)段內(nèi)任意供電點的供電操作,避免人工接線忙中出錯,提高施工準(zhǔn)確性。

        3)類同步測量法,提高方法實用性。系統(tǒng)采用的“類同步測量法”施工方式,測量點的移動為正向前進(jìn),避免測量點的往返重復(fù)測量,減少人員勞動強(qiáng)度及施工時間,提高了井下物探效率,使得礦井音頻電透視勘探可更多地適用于各種礦井水害探測。

        3 工程實例

        焦煤公司下屬礦井15091 工作面底板存在L8、L2和O2灰?guī)r等多層承壓含水層,存在突水威脅。為保障煤礦的安全生產(chǎn),對工作面底板煤巖層的賦水性進(jìn)行音頻電透視勘探,探明煤層底板下方巖層賦水性情況,為煤礦的安全生產(chǎn)和災(zāi)害治理提供科學(xué)依據(jù)。

        3.1 施工布置

        本次15091 工作面底板音頻電透視勘探采用礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)。音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時,在工作面的上巷施工區(qū)段內(nèi)一次性布置好所有的供電電極,供電電極按照50 m間距布置在供電巷道底板中;供電電極通過供電端口外延線與供電集成大線依次連接,供電集成大線與供電端口轉(zhuǎn)換盒相接,供電端口轉(zhuǎn)換盒與供電主機(jī)連接,形成礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò),探測時采用供電間距50 m,測點間距10 m,供電集成大線內(nèi)絕緣線芯6 道、12 擋波段開關(guān)等參數(shù)。

        具體測量時,在上巷內(nèi)對供電網(wǎng)絡(luò)采用多頻依次供電時,供電主機(jī)固定安設(shè)在供電端口轉(zhuǎn)換盒附近,每次供電時撥動多檔波段開關(guān)的不同擋位,完成巷道內(nèi)對應(yīng)位置的供電電極的供電操作;在下巷采用“類同步測量法”施工時,依序撥動多擋波段開關(guān)的擋位,逐點完成對應(yīng)供電點的供電操作,快速完成同一測量點的多頻多點供電施工。

        3.2 勘探結(jié)果

        音頻電透視法勘探成果圖如圖6。圖中主要反映了相對低阻區(qū)的分布范圍、立體連通情況、發(fā)育變化趨勢及水害威脅性等,其中紅色陰影區(qū)為視電阻率值相對較高區(qū)域,黃色和綠色陰影區(qū)為視電阻率值中等區(qū)域,藍(lán)色陰影區(qū)為視電阻率值相對較低區(qū)域,即相對低阻異常區(qū)。視電阻率值越小,色階藍(lán)顏色越深,表示巖層可能越為斷裂破碎、裂隙發(fā)育或賦水性相對越強(qiáng)。

        圖6 音頻電透視法勘探成果圖Fig.6 Exploration result of audio frequency electric perspective

        由圖6 可以看出:工作面底板探測范圍內(nèi)存在4 個低阻異常區(qū);Y1、Y3低阻區(qū)均位于煤層底板淺層區(qū)域、往深部延伸較少,分析系工作面底板附近煤巖層積水或潮濕引起,發(fā)生水害的可能性較?。籝4僅位于煤層底板深部、距離二1煤層較遠(yuǎn),分析系附近巖層相對破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性引起,發(fā)生水害的可能性較小;Y2主要位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近,距離二1煤層較近,且向深部延伸發(fā)育,分析系煤層附近潮濕、積水與底板下方L8灰?guī)r及深部巖層相對斷裂破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性共同作用引起,附近容易發(fā)生底板出水等水害。

        3.3 驗證情況

        對4 處低阻異常區(qū)采取了鉆探驗證,每處低阻區(qū)均布置2~4 個煤層底板下方L8灰?guī)r附近的鉆孔。鉆探結(jié)果顯示:Y1、Y32 處勘探低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔無出水;Y2、Y42 處勘探低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔出水量及注漿量均較大,且Y2布置的4 個鉆孔由淺至深出水量逐步增加,物探成果與鉆探資料相吻合,物探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

        4 結(jié) 語

        為了優(yōu)化礦井音頻電透視的探測效果,研制了礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)。

        1)系統(tǒng)采用供電集成網(wǎng)絡(luò),一次布線、一次布極,連接施工區(qū)段內(nèi)所有的供電電極,解除了供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜與供電點在空間上的綁定,避免了隨供電點改變而頻繁移動的狀況,提高了井下物探的施工效率。

        2)系統(tǒng)采用的供電端口轉(zhuǎn)換盒操作簡單、簡潔明了,通過撥動多擋波段開關(guān)的不同擋位,快速完成音頻電透視勘探在區(qū)段內(nèi)任意供電點的供電操作,避免人工接線忙中出錯,提高施工準(zhǔn)確性。

        3)系統(tǒng)采用的“類同步測量法”施工方式,測量點的移動為正向前進(jìn),避免測量點的往返重復(fù)測量,減少人員勞動強(qiáng)度及施工時間,提高了井下物探效率,使得礦井音頻電透視勘探可更多地適用于各種礦井水害探測。

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