电场约束法煤安型综掘机载地质构造探测系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术符合煤安认证标准，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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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，本专利技术人经过不断的研究、设计，并经反复验证后，终于创设出具有实用价值的本技术。
技术实现思路
本技术的主要目的在干，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。由于该技术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。本技术的主要目的还在于，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。本技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本技术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。本技术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。本技术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。本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(1)，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(6)，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(1)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(1)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(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)和约束电极(4)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(1)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(1)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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淼，张伟杰，张维振，郝明锐，杜毅博，王苏彧，杨子贤，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：实用新型
国别省市：