专利名称：电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种超前探测领域的煤矿井下作业的超前探测仪器，属于应用地球物理学电法超前探测技术，特别是涉及一种电场约束法煤安型综掘机载地质构造探測系统。
背景技术：
我国煤矿采掘方式的机械化程度逐渐增强，对综掘工作面的工作效率要求越来越高。掘进过程中必须遵循“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原则，来保证工作面内人员和机器的安全生产。矿井水害在煤矿五大灾害即瓦斯、水灾、火灾、粉尘、动カ地质灾害中位居第二，每年因水害造成的矿难死亡人数居高不下。随着煤炭开采技术的发展和对安全生产更高的要 求，如何有效探测掘进面前方隐伏的地质结构，特别是含水地质构造如溶洞、断层、陷落柱，已成为煤炭生产中急需解决的问题。而这些隐伏的地质构造在地质普查的宏观探查过程中很难发现和准确定位，因此，研究综掘工作面的超前探测技术和设备，成为人们重点关注的课题和研究方向。“有掘必探，先探后掘”是煤矿生产过程中必须坚持的原则。在掘进之前，对掘进面前方的隐伏地质构造如不能及时查明，则会诱发岩爆、瓦斯突出、巷道底鼓、突水、顶板冒落、巷道片帮等灾害性地质现象，造成人员伤亡和财产损失，特别是在掘进头前方更是容易引发这些灾害。掘进面突水事故的频频发生，严重制约煤矿正常生产的顺利进行。灾难性突水的ー个重要来源是隐伏地质小构造造成的底板高压水突入。采用传统的钻探工作手段查明隐伏地质构造，不能得到令人满意的效果，成本也比较高，费时费力，而且打钻网度有限，往往控制不住小断层及小陷落柱。因而隐伏地质构造及其含水性探測，特别是巷道掘进超前探测是煤炭生产中急需解决的问题，也是国内外一大技术难题。近几年由于矿井巷道超前预报技术的发展，越来越多的地面电法勘探技术开始应用于井下，如矿井直流电法中的“直流电三点三极探测法”、瞬变电磁法、地质雷达法、地震波法等。这些物探方法在煤矿巷道的超前预报中没有突出的优势，存在的问题是都不能实现与掘进机的一体化，“探、掘”分离影响了工作效率；预报准确率低，探測方向性差，易受到掘进后方地质状况的影响；电极布置或准备工作较为繁琐，费时，造成可操作性能差；目前煤矿把钻探法与上述ー种或几种方法相结合使用，造成工作量大大增加，成本相应提高。因此，尽快研究ー种工作方法简单、探測精度高，能与掘进设备配合使用且能满足煤矿掘进面特殊的环境要求的超前探測方法，意义重大。鉴于以上论述，为了实现“探、掘一体化”，提高煤巷掘进面超前探測的准确率，减少探测用时，保证掘进工作安全高效进行，本发明人经过不断的研究、设计，并经反复验证后，终于创设出具有实用价值的本实用新型。
发明内容[0008]本实用新型的主要目的在干，克服现有的掘进面超前探測方法存在的不足，而提出一种电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，完成煤矿掘进面对水、断层、陷落柱等有害地质构造的超前探測任务。由于该实用新型考虑了煤巷形状和尺寸因素，设计了合理的电极布置方式，采用约束电极控制发射电极产生电场的传播方向，解决了探測方向性难于控制的问题。本实用新型的主要目的还在于，提供一种与可以与掘进机协同工作的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，适于在煤矿井下煤尘环境中安全使用，由于可以实现边掘边探、实时探测与显示，可简化煤巷掘进面的エ序，提高掘进工作效率。本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本实用新型提出的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探測系统，包括有掘进机、煤巷综掘超前探测仪、液压式探测发射电极、多个约束电极、接地电极和数据库与资料解释软件。其中，所述的液压式探测发射电极，包括液压缸和发射电极两部分，该液压缸缸体固定在掘进机机身上，该发射电极安装在液压缸活塞杆端头，探测时，活塞杆伸出，将发射电极插入待测区域煤岩中，发射双频交流电流，使前方煤岩产生激发极化效应，液压缸压力油液来自掘进机的液压系统。 该4个以上约束电扱，以掘进面为探测面，所述的液压式探测发射电极3置于掘进面的几何中心位置，在平行于掘进面的同一投影面上，该些约束电极的布置方式是以发射电极在该投影面上的投影点为中心对称点，以r为半径均匀包围对称布置在发射电极周围，电极的连接线形成正多边形，该些约束电极所在平面位于掘进面前方一定距离内且与掘进面平行，该约束电极与发射电极投影点的距离以2-5米发射与发射电极波形相同、同极性的双频交流电流，使发射电极形成的电场得以约束。该接地电极，放置于掘进巷道后方70-80米处，可使液压式探測发射电极和约束电极形成回路。该煤巷综掘超前探測仪由发射和接收两部分组成，发射部分包括双频调制波发射与控制器，接收部分包括信号接收采集模块、信号调理计算模块、数据转换与图形显示模块、数据记录存储模块，该信号接收采集模块、信号调理计算模块、数据转换与图形显示模块及数据记录存储模块顺序串接集为一体，放置在掘进机司机操纵台上，实现信号接收、处理、显示与存储功能，利用所显示的数据来初歩判定掘进前方的地质构造。另，该信号接收采集模块与液压式探測发射电极通过导线连接；该双频调制波发射与控制器，安装在掘进机司机操纵台上分別并与约束电极和液压式探測发射电极通过导线连接，能够根据需要发射不同频率不同组合的双频交流调制波电流，分别提供给液压式探测发射电极和约束电极，可以单独控制和调节各个电极电流强度大小，以便实现超前探測的角度扫描与深度扫描。所述的资料解释软件，是与本探測系统配套的专用软件，用于将数据记录存储模块存储的数据做进一歩分析，与数据库资料对比，得出详细的地质构造結果。其中，双频波调制发射与控制器产生的双频调制波经导线与电极发送到煤巷掘进面前方的煤岩中，产生激发电场和极化效应。信号接收采集模块负责将极化信息中的高、低频电位差及电流强度值等测量数据送至信号调理计算模块，计算后得到的视电阻率及PFE值(Percent frequency effect,视幅频率)，由数据转换与图形显示模块处理后经显示屏输出，并由数据记录存储模块将数据放入存储介质内。资料解释软件结合数据库实现测量数据分析的自动化以及计算结果显示的傻瓜化。利用角度扫描和深度扫描方式实现异常体的定向和定位判断，从而完成煤巷综掘面的无损超前探測。本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进ー步实现。前述的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，其中所述的约束电极布置方式为对称正多边形布置，即以掘进面为探測的面，探測液压缸的活塞杆伸出，将液压式探测发射电极3顶到掘进面的几何中心位置，在平行于掘进面的同一投影面上，该些约束电极以液压式探测发射电极在该投影面上的投影点为对称中心，以r为半径，均匀包围对称布置在发射电极的周围，电极的连接线形成正多边形，所述的约束电极为巷道内现有的锚杆或通过钻孔插入掘进面，所述的发射电极为不极化材质。本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进ー步实现。前述的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，其中所述的接地电极放置于掘进机后方70-80米处，系统除电极以外的其余部分均安装在掘进机司机操作台上。本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进ー步实现。前述的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，其中所述的电场约束效率高低是由约束电极电流强度与发射电极电流强度的比值大小来決定，电流强度比值越大，约束电场效率越高。通过改变约束电场效率来判定异常体的大致規模。本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进ー步实现。前述的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，其中所述的异常体定位方法采用了角度扫描和深度扫描方式，满足定向和定深的要求。在正多边形电极布置方式中，相对增大位于正多边形某一边上约束电极的电流强度，被约束的电场传播方向偏向对应的另ー侧，相对增大位于两条相交边上的约束电极的电流强度，被约束的电场传播方向偏向另ー对角方向，以此角度扫描方式实现异常体的定向要求。当电场传播方向一定，增大发射电极电流强度时，探测距离増大，反之，减小发射极电流强度时，探测距离減少，以此深度扫描方式实现异常体的定位要求。本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进ー步实现。前述的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，其中所述的探测仪器在设计与研制时按照煤安认证标准，采用低耗能、防爆、防震、防潮性能的电气元件，保证在煤巷工作面内的作业安全。本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探測系统与现有技术相比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛推广价值，其至少具有下列优点(I)本实用新型利用电场同性相拆的性质，采用电场约束法控制电场传播方向，解决了用传统方法探测时易受掘进面后方地质状况及设备干扰的影响，即方向控制性能強。(2)本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，使用本安型电子元件，满足煤矿井下特殊环境对电气设备的要求，安全性能好。(3)本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，充分考虑了煤巷掘面现有的机械与设备，实现超前探测仪与掘进机一体化设计，可利用打好的锚杆作为探测电极，克服了掘进面机械设备繁多、空间有限而造成的杂乱、拥堵，即简捷性能好。(4)本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，采用角度扫描和深度扫描方式，实现异常体的定向和定深，即定位准确。(5)本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，各电极电流强度可调，使电场约束效率可变，从而可以确定异常体的规模，结合优点(2)可为掘进工作提供精准的探测资料，为煤巷掘进工作制定工序流程提供可靠的数据依据。(6)本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，采用智能化输入、自动化处理、傻瓜化显示、危险等级语音报警，节省了探测用时，缩短探测周期，操作简单、探测结果易懂，降低了操作人员的难度，可实现实时探测。(7)本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，鉴于以上优点,故而探测成本低,省时省力，经济性能好。 综上所述，本实用新型电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，目的在于提出一种新的煤巷综合机械化掘进面的超前探测系统，实现对掘进前方地质构造如水、断层、陷落柱的实时探测与预警预报，达到“探、掘”一体化的目标，保证煤巷掘进工作的安全高效进行。该系统适用于煤巷掘进工作面，且具有产业上的利用价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，其探测定位方式和结构设计未见公开发表及实用的效果，与已经公开的相近专利在探测定位方式和结构设计上有大的不同，且具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
图I是本实用新型结构组成示意图；图2是本实用新型系统结构组成俯视示意图；图3是本实用新型超前探测仪系统结构示意图；图4是本实用新型图I的A-A布极方式示意图图5是本实用新型图I的A-A布极方式示意图图6a :本实用新型煤巷综掘超前探测仪角度与深度扫描示意图；图6b :本实用新型煤巷综掘超前探测仪角度与深度扫描示意图；图6c :本实用新型煤巷综掘超前探测仪角度与深度扫描示意图；其中I :掘进机2 :煤巷综掘超前探测仪3:液压式探测发射电极4:约束电极4B1 :约束电极4B2 :约束电极4B3:约束电极4B4:约束电极4B5:约束电极4B6:约束电极[0048]4B7:约束电极4B8:约束电极5 :掘进待测区域6 :接地电极7 :双频调制波发射与控制器8 :信号接收采集模块9 :信号调理计算模块10 :数据转换与图形显示模块11 :数据记录存储模块
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，
以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质 构造探测系统的具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图示的较佳实例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。本实用新型较佳实施例的电场约束法煤安型煤巷综掘机载地质构造探测系统，如图I、图2、图3所示，由掘进机I、煤巷综掘超前探测仪2、液压式探测发射电极3、约束电极4和接地电极6组成。其中该煤巷综掘超前探测仪2安装在掘进机I司机操作台上，实现探掘一体化。该煤巷综掘超前探测仪2由发射部分和接收部分组成。该发射部分包括双频调制波发射与控制器7。接收部分包括信号接收采集模块8、信号调理计算模块9、数据转换与图形显示模块10、数据记录存储模块11。该煤巷综掘超前探测仪2也可以不放在掘进机上，与电极一起构成独立的探测系统。该液压式探测发射电极3，包括液压缸和发射电极两部分。该液压缸缸体固定在掘进机I机身上，该发射电极安装在液压缸活塞杆端头。探测时，活塞杆伸出，将发射电极插入待测区域5煤岩中，发射双频交流电流，使前方煤岩产生激发极化效应，液压缸压力油液来自掘进机I的液压系统。如图4和图5所示，本实施例设8约束电极481、482、483、484、485、486、487、488。该些约束电极以掘进面为探测面，所述的发射电极置于掘进面的几何中心位置，在平行于掘进面的同一投影面上，该些约束电极4的布置方式是以发射电极在该投影面上的投影点为中心对称点，以r为半径均匀包围对称布置在发射电极周围，电极的连接线形成正四边形(如图4所示)或正六边形(如图5所示)，该些约束电极所在平面位于掘进面前方一定距离内且与掘进面平行，该约束电极与发射电极投影点的距离以3米发射与发射电极波形相同、同极性的双频交流电流，使发射电极形成的电场得以约束。所述的约束电极4巷道内现有的锚杆或通过钻孔插入掘进面，所述的发射电极为不极化材质。该接地电极6，放置于掘进巷道后方70-80米处，可使液压式探测发射电极3和8个约束电极4形成回路。该煤巷综掘超前探测仪2由发射部分和接收部分组成。发射部分包括双频调制波发射与控制器7。接收部分包括信号接收采集模块8、信号调理计算模块9、数据转换与图形显示模块10、数据记录存储模块11。该信号接收采集模块8、信号调理计算模块9、数据转换与图形显示模块10及数据记录存储模块11顺序串接集为一体，放置在掘进机I司机操纵台上。实现信号接收、处理、显示与存储功能，利用所显示的数据来初步判定掘进前方的地质构造。另，该信号接收采集模块8与液压式探测发射电极3通过导线电连接。该双频调制波发射与控制器7安装在掘进机I司机操纵台上分别并与8个约束电极4和液压式探测发射电极3通过导线连接，能够根据需要发射不同频率不同组合的双频交流调制波电流，分别提供给液压式探测发射电极3和约束电极4，可以单独控制和调节各个电极电流强度大小，以便实现超前探测的角度扫描与深度扫描。所述的煤巷综掘超前探测仪2用来控制液压式探测发射电极3和八个约束电极4发射探测电流，并对接收到的极化信息进行处理和显示。煤巷综掘超前探测仪2中的双频调制波发射与控制器8控制液压式探测发射电极3和八个约束电极4发射同频率、同极性的双频交流调制波电流。由于液压式探测发射电极3和约束电极4发射电流的极性相同，发射电场在约束电场的约束下向前方待测掘进区域5进行传播，从而解决了电场的全空间效应。 所述液压式探测发射电极3与煤巷综掘超前探测仪2中的双频调制波发射与控制器7和信号接收采集模块8相连，双频调制波发射与控制器7控制液压式探测发射电极3发射双频交流调制波电流，在液压式探测发射电极3与掘进待测区域5产生发射电场。发射电极在发射电流的同时也作为测量电极，将极化信息传给信号接收采集模块8。所述八个约束电极4与煤巷综掘超前探测仪2中的双频调制波发射与控制器7相连，双频调制波发射与控制器7控制约束电极4发射与液压式探测发射电极3同频率、同极性的双频交流调制波电流，在与待测区域5产生约束电场。因约束电极4的电流极性与液压式探测发射电极3的电流极性相同，利用电场同性相斥的性质，便可以控制电场的传播的方向。如图4、5所示，所述的八个约束电极4以对称正四边形或正六边形的布极方式，均匀、对称的布置在液压式探测发射电极3的四周的八个方向上，分别为约约束电极4B1、约束电极4B2、约束电极4B3、约束电极4B4、约束电极4B5、约束电极4B6、约束电极4B7、约束电极4B8。AO (+)为液压式探测发射电极3，Al (+)代表八个约束电极4。电极工作时，液压式探测发射电极3与八个约束电极4同时工作，且每个电极的电流强度大小都可以单独调节。如图6(a)所示，液压式探测发射电极3和八个约束电极4同时向掘进待测区域5发射同极性的双频交流电流。根据同性电流相排斥原理，液压式探测发射电极3产生的发射电场和八个约束电极4产生的约束电场相互作用，使发射电场得以约束，并在探测前方呈喇叭口状，当八个约束电极4的电流强度大小一致时，可以使探测电流沿水平方向呈放射状向掘进深处传播。如图6(a)所示，欲加大探测深度，须加大发射电流的强度。当电场传播方向一定，增大液压式探测发射电极3电流强度时，探测距离增大，探测区域从截面2增大到截面I的位置。反之，减小液压式探测发射极3电流强度时，探测距离减少，探测区域从截面I到达截面2的位置，以此深度扫描方式实现异常体的定位要求。如图6b、6c所示，相对增大位于正多边形某一边上两个约束电极4的电流强度，被约束的电场传播方向偏向对应的另一侧，相对增大位于两条相交边中点上的约束电极4和顶角约束电极4的电流强度，被约束的电场传播方向偏向另一对角方向，以此角度扫描方式实现异常体的定向要求。将深度扫描和角度扫面相结合便可以准确地快判定异常方向和距离。所述的掘进待测区域5为掘进面前方的锥形区域。在液压式探测发射电极3与约束电极4发射的双频电流相互作用形成的电场即一次电场的作用下掘进待测区域5内的介质会发生复杂的电化学过程，即极化现象，并形成一个随时间增加而增长的极化电场即二次电场。为了获得明显的激发极化效应，使液压式探测发射电极3和约束电极4发射的双频交流电流中的低频成分频率充分低(记为4)，在它作用下掘进待测区域5中的介质可，以得到充分极化，测得的低频电位差中含有足够的二次场电位；使液压式探测发射电极3和约束电极4发射的双频交流电流中的高频成分频率充分高(记为fH)，在它作用下探测区域的介质来不及产生激发极化效应，测得的高频电位差AVm中几乎没有二次场电位，则AVm的值接近于一次场电位。这时就可以通过公式(1.1)计算得到二次场电位差占激发极化总场的百分比，即PFE值。
权利要求1.一种电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统，包括有掘进机(I)，其特征在于还包括煤巷综掘超前探测仪(2)、液压式探测发射电极(3)、多个约束电极(4)和接地电极出)，其中，所述的液压式探测发射电极(3)，包括液压缸和发射电极两部分，该液压缸缸体固定在掘进机(I)机身上，该发射电极安装在液压缸活塞杆端头，探测时，活塞杆伸出，将发射电极插入待测区域(5)煤岩中，发射双频交流电流，使前方煤岩产生激发极化效应，液压缸压力油液来自掘进机(I)的液压系统； 所述的4个以上约束电极(4)，以掘进面为探测面，所述的发射电极置于掘进面的几何中心位置，在平行于掘进面的同一投影面上，该些约束电极(4)的布置方式是以发射电极在该投影面上的投影点为中心对称点，以r为半径均匀包围对称布置在发射电极周围，该些约束电极所在平面位于掘进面前方一定距离内且与掘进面平行，该约束电极与发射电极投影点的距离以2-5米发射与发射电极波形相同、同极性的双频交流电流，使发射电极形成的电场得以约束； 所述的接地电极出)，放置于掘进巷道后方70-80米处，可使液压式探测发射电极(3)和约束电极⑷形成回路； 所述的煤巷综掘超前探测仪(2)由发射部分和接收部分组成，发射部分包括双频调制波发射与控制器(7)，接收部分包括信号接收采集模块(8)、信号调理计算模块(9)、数据转换与图形显示模块(10)、数据记录存储模块(11)，该信号接收采集模块(8)、信号调理计算模块(9)、数据转换与图形显示模块(10)及数据记录存储模块(11)顺序串接集为一体，放置在掘进机(I)司机操纵台上，实现信号接收、处理、显示与存储功能，利用所显示的数据来初步判定掘进前方的地质构造；另，该信号接收采集模块(8)与液压式探测发射电极(3)电连接；该双频调制波发射与控制器(7)，安装在掘进机(I)司机操纵台上分别并与约束电极(4)和液压式探测发射电极(3)通过导线连接，能够根据需要发射不同频率不同组合的双频交流调制波电流，分别提供给液压式探测发射电极(3)和约束电极(4)，可以单独控制和调节各个电极电流强度大小，以便实现超前探测的角度扫描与深度扫描。
2.根据权利要求I所述的电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统，其特征在于其中所述的约束电极(4)布置方式为对称正多边形布置，即以掘进面为探测的面，探测液压缸的活塞杆伸出，将液压式探测发射电极3，顶到掘进面的几何中心位置，在平行于掘进面的同一投影面上，该些约束电极(4)以液压式探测发射电极3在该投影面上的投影点为对称中心，以r为半径，均匀包围对称布置在发射电极的周围，电极的连接线形成正多边形，所述的约束电极(4)为巷道内现有的锚杆或通过钻孔插入掘进面，所述的发射电极为不极化材质。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统，其特征在于所述的煤巷综掘超前探测仪(2)安装在掘进机(I)上，实现探掘一体化要求。
专利摘要本实用新型涉及电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统，用于探测煤矿井下掘进面前方隐伏的地质构造，由煤巷综掘超前探测仪、发射电极、约束电极和接地电极组成。通过发射电极和约束电极向待测区域发射双频调制波电流，在煤岩中产生激发极化效应。极化信息由探测仪的接收部分进行采集和处理、自动计算视电阻率及视幅频率即PFE值，并转换为坐标图形显示，据此判断掘进前方的地质构造，采用角度扫描和深度扫描方式确定异常体的位置。探测数据自动存储，通过专门的资料解释软件进行进一步分析，得到掘进前方的地质构造，完成煤巷综掘面的超前探测。本实用新型符合煤安认证标准，实现了与掘进机协同作业，且探测速度快、精高度，实时性好、操作方便。
文档编号G01V3/24GK202649483SQ201120536930
公开日2013年1月2日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者吴淼, 张伟杰, 张维振, 郝明锐, 杜毅博, 王苏彧, 杨子贤 申请人:中国矿业大学(北京)