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电法三极超前探测.ppt

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    • 矿用高精度直流电法仪矿用高精度直流电法仪————需求分析评审报告报告人报告人 :张:张 奇奇日日 期期 ::20112011年年2 2月月1515日日 1 研究背景 在煤炭开采过程中,由于煤层的开挖和底板的变形、破坏,在底板中形成导水裂隙带当裂隙带发展到含水层时,在煤层底板中出现一条或多条导水通道,含水层中的水将沿着裂隙带涌向采空区,发生突水灾害随着开采深度和强度的增加,煤炭开采环境日趋复杂,水害问题将更加突出深入调查巷道内地质环境,开发含水地质的探测技术,以预防和治理突水,对于煤矿安全生产具有积极的意义 本项目所做研究就是以物探方法作为仪器的主要特性,采用电法勘探技术为主要手段,勘查巷道顶、底板隔水层厚度、断裂层、破碎带、陷落柱,尤其是含水、导水破碎带,甚至潜在的突水点等含水地质构造,为预防煤矿灾害提供有效地数据支持 1.1 项目研究的必要性 据中国矿大2008年中的一篇博士毕业论文中提到,煤矿水害作为仅次于瓦斯的矿山五大安全灾害之一,也是世界产煤国家面对的一个安全生产难题我国煤田地质条件十分复杂,受水威胁的煤炭储量占探明储量的27%,受底板岩溶水威胁的矿井高达222处,占统配煤矿矿井总数的48%以上,其中受水威胁较严重的矿井有171处,受水威胁的储量为6660Mt,占统配煤矿总储量的18%,有51对矿井随时都有突水的可能。

      对于象徐州、淮南、枣庄、峰峰等这样的老矿区,随着煤矿开采深度的增大,综合机械化采煤、放顶煤技术的普遍应用,水害对综合工作面生产的影响日益突出,在已有的事故报告中由于水害造成的经济损失可达数百亿元计目前,北方主要矿区受水害威胁的煤炭储量占15多亿吨,如何将这些煤炭从承压水上解放出来,实现安全高效的煤矿生产,及时而准确地预测、预防水害仍是函待解决的课题 1.2 项目研究的优越性 高精度直流电法仪的本质是直流电阻率法的一种它是根据不同物质的介质电性差异,研究在人为施加电场的作用下,地下传导电流的变化分布规律相对传统的矿用直流电法仪,吸收市场现有高密度电法仪的主要特点,针对煤矿巷道内的地质环境,增加了相应的供电输出电极和测量接收电极的数量,提高一次电极布设的数据采集量,具备深度测量和剖面测量的功能相对于传统的矿用直流电法仪而言具有以下优势: (1)第一次将电极布设完成后即可对多个观测点进行测量,这样就大大减少因为反复布设电极而引起的不必要的故障和干扰,节约了数据测量所需的时间 (2)电极布设完成后,能够通过改变算法来改变电极排列方式通过不同算法的测量可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

      (3)相较于传统4极的矿用直流电法仪明显具有采集数据丰富、反演解释详细方便、勘探能力更强的优势 2 矿用电法仪器市场现状及其发展趋势 我国的电法勘探工作始于50年代初,主要是引进前苏联的方法技术,以直流电法为主;随后又逐渐引进、发展了电化学方法,如激发极化法;到60年代,我国科研人员开始研究以绝对测量为特点的电磁感应类方法;至70年代,则以相对测量为主,并在80年代有较大的进展目前我国煤田勘探主要采用瞬变电磁法、高精度磁法、高精度重力法、直流电法勘探(含高密度电法勘探)、地质雷达探测等,而实际得到广泛应用的仍是直流电法勘探技术 在过去十几年里,先后有重庆煤科院、西安煤科院、中国地质大学研究所先后做过相关方面的研究,但至今为止,唯有西安煤科院仍保有该产品,对该产品的市场形成垄断的格局 2.1 国内市场现状n 查看PDF文件注 风水与居家风水的理风水与居家风水的理念念n风水是方位选择的艺术风水是方位选择的艺术n风水是环境组织学风水是环境组织学n居家风水,选择最佳方位,调配居家环居家风水,选择最佳方位,调配居家环境物件,管理居家环境结构,提升健康、境物件,管理居家环境结构,提升健康、幸福与财富指数。

      幸福与财富指数n居家风水的核心理念是:以人为本,借居家风水的核心理念是:以人为本,借天时与地利,追求天人合一,实现人居天时与地利,追求天人合一,实现人居和谐及成功发展和谐及成功发展 最佳住宅楼盘的选择标准最佳住宅楼盘的选择标准n选房子就像选妻子n男人选妻子应该坚持的原则男人选妻子应该坚持的原则—— 上选选才女,中选选淑女,下选选美女上选选才女,中选选淑女,下选选美女 既可出厅堂,又能进厨房,更会管账房既可出厅堂,又能进厨房,更会管账房n居家风水的评价标准居家风水的评价标准——n 楼盘的身材相貌楼盘的身材相貌——景观、楼体、户型;景观、楼体、户型;n 楼盘的贤惠品行楼盘的贤惠品行——和谐、平安、匹配;和谐、平安、匹配;n 楼盘的才华能力楼盘的才华能力——聚财、催贵、兴家聚财、催贵、兴家 图图1 YD32(A)型高分辨电法仪型高分辨电法仪YD32(A)高分辨电法仪 图图2 YDZ(A)型高分辨电法仪型高分辨电法仪 2.2 矿用电法仪发展趋势 综合比较目前市场上现有产品的主要特点,我们不难看出,现有的电法仪的设计正向着以下几个方面改进: (1)多电极、多通道的采集技术将占据主导地位。

      这样不仅提高了数据采集的数量和速度,还使电法仪具备了同时采集多种测量方式的数据 (2)单台电法仪可支持对多种布极方式,相应的增加了数据反演解释软件设计的复杂性 (3)改变了以往井下数据采集,井上计算机数据分析的作业方式,提高了电法仪的硬件系统集成度,实现了巷道现场数据采集、存储、解释的一体化微处理系统 (5)井下巷道的小空间勘探方法的创新应用 (4)三维高密度电法测量将得到大力发展虽然现在三维高密度电法测量由于种种原因还处于实验和研究的阶段,但随着技术水平的提高,必将得到广泛的应用 3 电阻率法的基本测量原理3.1 岩土介质的电阻率n 电阻率(ρ)单位是欧姆·米,记作Ω·m 在电法勘探中,用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为在电法勘探中,用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电电阻率阻率(ρ)(ρ) 从物理学中已知,当电流垂直流过单位长度、单从物理学中已知,当电流垂直流过单位长度、单位截面积的体积时,该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质位截面积的体积时,该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质的电阻率的电阻率计算公式如下:计算公式如下:注 •煤的电阻率煤的电阻率 30-100030-1000ΩΩ•m•m•海水的电阻率海水的电阻率 0.2-1 0.2-1 ΩΩ•m•m•湿土壤的电阻率湿土壤的电阻率 1-101-10ΩΩ•m•m•泥岩的电阻率泥岩的电阻率 10-100 10-100 ΩΩ•m•m•砂岩的电阻率砂岩的电阻率 100-1000100-1000ΩΩ•m•m•灰岩的电阻率灰岩的电阻率 300-10000300-10000ΩΩ•m•m•砂砾的电阻率砂砾的电阻率 600-10000600-10000ΩΩ•m•m•花岗岩的电阻率花岗岩的电阻率 -10000-10000ΩΩ•m•m•铜的电阻率铜的电阻率 0.00010.0001ΩΩ•m•m一些常见物质的阻率值一些常见物质的阻率值 3.2 3.2 影响岩、矿石电阻率的因素影响岩、矿石电阻率的因素 岩石中水溶液的岩石中水溶液的分布状态分布状态岩层中水溶液的岩层中水溶液的电阻率大小电阻率大小与岩石孔隙度有明显关系与岩石孔隙度有明显关系与岩石孔隙度有明与岩石孔隙度有明显关系显关系 组成岩石的矿物成分中,在煤田电法勘探中,研究的组成岩石的矿物成分中,在煤田电法勘探中,研究的主要对象是沉积岩。

      主要对象是沉积岩 ⑴⑴ 岩(矿)石电阻率岩(矿)石电阻率 ————与成分和结构的关系与成分和结构的关系 导电矿物含量相当大导电矿物含量相当大(≥80%%)时,时,对岩石电阻率才有明显作用对岩石电阻率才有明显作用主要决定于它们的连通情况,主要决定于它们的连通情况,连通者起的作用大,连通者起的作用大,孤立者起的作用小孤立者起的作用小岩、矿石的电阻率岩、矿石的电阻率与导电矿物的含量与导电矿物的含量导电矿物对岩、矿石导电矿物对岩、矿石整体电阻率影响整体电阻率影响 (a) (b) (c) 岩矿石不同结构的示意图 层状结构岩石模型 (a)实际岩石 (b)等效模型(b)(a) 两种电阻率分别为ρ1和ρ2的薄层岩石交替成层,它们的总厚度分别为h1和h2,则可按电阻并联和串联的关系,不难得到沿层理方向和垂直层理方向的电阻率表达式: (1)(2) 为了表征层状岩石的非各向同性程度和平均的导电性,定义其非各向同性系数和平均电阻率分别为: ⑵⑵ 岩(矿)石的电阻率岩(矿)石的电阻率 ————与所含水分的关系与所含水分的关系 地下水及其他天然水地下水及其他天然水的电阻率均较的电阻率均较低低,通常小于,通常小于100ΩΩ.M.M,并且含盐分越多,电阻率值越低。

      岩、矿石中,并且含盐分越多,电阻率值越低岩、矿石中所含水分的多少所含水分的多少(或湿度大小或湿度大小)对其电阻率值有较大影响对其电阻率值有较大影响 一般一般含水量大的岩石含水量大的岩石电阻率较电阻率较低低,而含水量小或干燥,而含水量小或干燥岩石的电阻率较高岩石含水量的大小,主要决定于岩石岩石的电阻率较高岩石含水量的大小,主要决定于岩石本身的本身的孔隙度及当地的水文地质条件孔隙度及当地的水文地质条件在潜水面以下,岩在潜水面以下,岩石孔隙通常被地下水所充满,此时,岩石的湿度便等于其石孔隙通常被地下水所充满,此时,岩石的湿度便等于其孔隙度 (3) (3) 岩(矿)石电阻率岩(矿)石电阻率 ————与温度的关系与温度的关系 岩石电阻率与温度的关系 -40 -20 0 20 40 t/ºC100101电子导体矿物、矿石的电阻率随温度增高而变大离子导电岩石的电阻率却随温度的增高而变小 地面水平,地面水平,地下为均匀、地下为均匀、无限、无限、各向同性介质各向同性介质。

      ABNM则地表任意两测量电极则地表任意两测量电极M M和和N N的的 电位电位U U的表达式为的表达式为: : 3.3 3.3 均匀大地电阻率的测定均匀大地电阻率的测定 电阻率计算公式的推导由电场叠加原理,则M,N间的电位差为:A极在地面测量电极M和N处的电位分别为:同理,B极在地面测量电极M和N处的电位分别为: 只要该电位差不为零,便可得到用点电极测量均匀大地电阻率的表达式:   式中K称为电极排列系数(或装置系数),其单位为米,是一个仅与各电极间空间位置有关的量式中,K为装置系数,其表达式为: K值的实际计算 电极形式可多种多样,但电极的排列形式和电极距一经确定,K值便可计算出来 在实际工作中 3.3 视电阻率的概念视电阻率的概念及分析方法及分析方法地面水平,地面水平,地下为均匀、地下为均匀、无限、无限、各向同性介质各向同性介质 实际工作中常常不能满足这些条件,地形往往起伏不平,地下介质也不均匀,各种岩石相互重叠,断层裂隙纵横交错,或者有矿体充填其中。

      视电阻率视电阻率 虽然不是岩石的真电阻率,但却是地下电性不均匀体和地形起伏的一种综合反映 在地下介质的电性分布不均匀或者地面不水平时,仍用四极法测量,所得的电阻率不再是地下某一岩层的真电阻率,而称之为视电阻率,用脚码s表示 电阻率法就是根据所测视电阻率的变化特点及规律去发现和了解地下的电性分布情况,以达到找矿或探查地质构造的目的 那么,如果在电阻率均匀的围岩中存在电阻率不同的地质体,在地面上观测的视电阻率具有什么样的变化特点和规律呢?视电阻率在不均匀体和地形起伏的分布示意图 在地形起伏、存在不均匀地质体,且测量电极的间距很小时,用 分别表示MN处的电场强度、电流密度和电阻率 由电位差可表示为: 欧姆定律的微分形式 上式对任何布极形式和电极间距离以及地下任何不均匀情况均适用它清楚地表明,视电阻率在数值上与MN间沿地表的电流密度和电阻率的分布有关,而地表电流密度的分布,既受地表电阻率分布也受地下电性不均匀体的影响因此,在电极排列一定的条件下, 的变化由地表及地下电阻率分布所决定。

      当MN很小时,可将MN范围内的电场强度视为不变,上式可化为 如果在均匀半无限介质的条件下, ,且此时所测得的 ,故有:即: 于是,我们可得地形起伏且存在不均匀体时视电阻率的于是,我们可得地形起伏且存在不均匀体时视电阻率的微分形式:微分形式:在分析一些理论计算、模型实验及野外地面观测结果时,经常要用到它 当地面当地面水平时水平时 电阻率不均匀时地下电流分布示意图 从上图中可以看出,在左边无矿地段jMN=j0,所以ρS=ρ1在高阻体顶上,矿体向外排斥电流,使得测量电极M、N间的电流密度jMN>j0,故ρS>ρ1,在高阻体顶上出现大于正常背景的极大值;在高阻体两侧,虽然ρMN=ρ1,但jMNj0,使ρS>ρ1,所以在低阻矿体两侧出现大于正常背景的不明显的极大值。

      由上述分析可见,利用视电阻率的微分形式分析ρS曲线的变化规律简单、清楚A(+I)B(-I)X(a)(b)M NV分析:分析: v当地下只有一种岩石时,两式是相同的,故按视电阻率的计算式算得的ρs值等于岩石真电阻率ρ值ρs剖面曲线乃为一条数值等于ρ的直线视电阻率的计算公式视电阻率的分析公式 4 电测剖面法的应用n n方法特点:方法特点:研究地电断面横向变化的一类研究地电断面横向变化的一类方法方法——采用固定的电极距,沿剖面移动采用固定的电极距,沿剖面移动电极装置,观测一定深度范围内视电阻率电极装置,观测一定深度范围内视电阻率沿剖面的变化沿剖面的变化n n解决主要地质问题:解决主要地质问题:探测产状陡立的高、探测产状陡立的高、低阻体,如划分不同岩性接触带、追索断低阻体,如划分不同岩性接触带、追索断层及构造破碎带层及构造破碎带 4.1 4.1 电阻率方法常用的几种装置型式电阻率方法常用的几种装置型式 电阻率剖面法的几种模型阻率剖面法的几种模型((a)二)二级装置(装置(b)三)三级装置(装置(c))联合剖面装置合剖面装置((d))对称四极装置(称四极装置(e)偶极装置()偶极装置(f)中)中间梯度装置梯度装置 在本次项目中所设计的矿用高精度电法仪中主要采用的装置型式为三极装置和对称四极装置。

      三极装置模型如图(b)所示,当只将供电电极B置于无穷远,而将AMN排列在一条直线上进行观测时,便称为三极装置其ρs表达式为其中,三极装置通常取MN中点作为观测结果的记录点 对称四极装置模型如图3-2(d)所示,这种装置的特点是AM=NB,记录点取在MN的中点其ρs表达式为其中 4.2 4.2 三极超前探测方法原理三极超前探测方法原理 供电电极A相对于无穷远电极B可以看作为点电源,均匀介质中它所形成的电场可近似看作一个球体 点点电源源电流流场的球形分布的球形分布, 超前勘探原理示意超前勘探原理示意图高阻岩高阻岩层对电流流场的排斥作用的排斥作用 几何交几何交汇原理原理影响因素:(1)测量电极M、N附近的影响 消除方法:比值法(2)层状地层与各向异性的影响 消除方法:归一化解释曲线 优点:较以往正演理论只考虑地层各向同性时地层的综合电性更加准确、合理3)工作面非正前方的影响消除方法:几何交汇原理 解释标准:异常的认定标准计算归一化解释曲线总的平均均方相对误差(简称均方误差)为 一级异常,一般为对应前方含水导水性较差或无构造、或不含水的岩性变化 二级异常,一般为岩石电性变化较大,如岩石相变、底臌、含水断层、淋水裂隙及老窑等局部含水性较强的异常地质体。

      三极异常,一般为突出的岩石电性变化,如大的导水断层(或导水裂隙发育带)、积水老窑采空区或潜在的导水或突水地质构造等强含水体的反应,一般为灾害性地质构造 直流直流电法超前探法超前探测结果果成图方式: 成图实例: 三极超前探测施工布置图三极超前探测施工布置图施工布置图: 跑极方式三极超前施工探测示意图跑极方式三极超前施工探测示意图三极超前探测跑极施工图三极超前探测跑极施工图 三极测深施工示意图三极测深施工示意图三极测深施工布置图三极测深施工布置图 四极测深施工示意图四极测深施工示意图四极测深施工布置图四极测深施工布置图 5 技术指标YD32((A)型高分辨)型高分辨电法法仪界面界面MA为企业资质认证ExibI标识解读:Ex:防爆电器设备总标志;ib:ib等级的本质安全型电器设备;I:I类,表示煤矿用; 5.1 5.1 使用环境及工作条件使用环境及工作条件 1、环境温度:0℃~40℃;2、平均相对湿度:不大于95%(25℃);3、环境气压:80kPa~106 kPa;4、环境气体:有甲烷和煤尘,但无破坏绝缘的腐蚀性气体及无剧烈振动和冲击场合5.2 5.2 人机交互方式人机交互方式 1、电法仪运行环境:Windows系统平台;2、人机对话方式:触摸屏,液晶显示器;3、人机对话功能:设置电法仪电流发射方式、电压接收方式、施工参数、记录多路电压信号、记录发射电流值,测量电池电压等功能; n防爆形式:本质安全型,防爆标志为ibI(150℃)n电压精度:0.1% n电压测量范围:0~±2.0Vn动态范围: 120db(24位A/D)n最大发射电压:≤100V n最大工作电流:≤100mAn发射电流误差:≤1%;n重复性≤0.5% n信号通道:32CH n分辨率:10uVn接收电压误差:≤5%n外形尺寸 长×宽×高: 272mm×202mm×165mm。

      n重量:约10kgn显示器:LCD彩色TFT,分辨率为:640*4805.3 5.3 仪器主要技术指标仪器主要技术指标 6 可行性及技术难点分析6.1 6.1 可行性分析可行性分析 目前本安型矿用直流电法仪市场的主流产品主要由煤炭科学总院西安分院生产的直流电法仪占据,电法仪从电原理方面来说并不复杂,单机所采用的硬件成本较低,且大的系统模块主要由电源系统、工控机(上层软件)系统、单片机采集系统、电极间的切换系统、接地电阻测量及仪器校准五个部分组成,所以说从电原理的方面考虑,该系统方案是可行的 6.2 6.2 技术难点分析技术难点分析 本系统在设计上可能存在的难点:(1)本安型设计:由于仪器设计目的主要面向煤矿巷道内的含水结构探测,其实际使用环境为井下作业,所以系统在设计时如何能够满足煤矿安标,达到防爆本安型设计将是本项目在设计时的首要任务2)供电电源设计:由于该系统实际上属于一个由仪器对远在两百米范围内的线缆和电极集中供电,接收线缆采集测试点电压的一个数据采集系统,在实际设计时对供电电极所形成的人工电场稳定性要求较高,需要高品质的电源系统3)抗干扰能力的设计:地电干扰,巷道积水,金属物体,主观人为因素造成的电极接地不稳等等,都会给本已是趋于微弱信号的测量值带来极大的误差变化,如何在设计与实验中排除上述干扰是本设计要解决的一大问题。

      3)上层软件的设计:操作方便,支持多种测量方式 7 研发步骤 以项目开发人员的经验水平出发,现将本仪器的开发设置为以下几个阶段:(1)功能设计阶段:完成仪器基本功能、应满足的指标及软件的设计2)地面验证阶段:自行搭建实验环境对样机进行验证3)安标设计阶段:使本仪器的设计满足安标要求4)取得安标认证5)井下设计实验阶段:与同类产品相比对,软件算法的不足之处在做修正 8 总结 本项目为我司首次面向矿用仪器市场的物探产品,从仪器原理方面来说设计难度相对较低,对打开矿用仪器市场,并使我司设计人员熟悉煤矿的安标条例,积累相关经验来说,应当算是一个突破口,对公司进一步提高业绩,增加产值形成铺垫 谢谢! 。

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