盾构双频激电法超前扫描探测技术与发射装置研究

作     者：梁晨 

作者单位：河北工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘志民

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：双频激电法 扫描探测 聚焦效率 正演模拟 阻容模型网络 

摘      要：随着煤炭开采深度日益增加,TBM(盾构机)在巷道掘进施工中的占比越来越高,而TBM为全断面盾构机,其占据了坑道大部分空间,使得传统钻爆法将无法适用于该模式下开展超前探测。此外,现有的竖直向下跑极电法勘探技术受坑道腔体电磁干扰,以及顶底板假异常地质构造等诸多因素影响,严重影响了掘进断面前方异常地质构造探测的准确性和可靠性,而且缺少偏离掘进断面中心线的异常地质构造探测的相关理论和方法。为此,本文基于双频激电法基本原理,提出了一种适用于TBM的超前扫描探测方法,开展了超前扫描探测有限元正演模拟,设计了双频调制正弦波发射电路装置,通过阻容模型网络对发射装置进行了试验验证与结果分析。其主要研究内容如下:(1)分析点电源电流场的边值与变分问题,构建长方体均匀全空间地电模型,基于COMSOL软件对空间电位进行求解,并与解析解进行对比分析,结果表明相对解析解其误差不超过1%。(2)结合煤矿井下实际工况,设计多种布极方案,基于COMSOL软件对布极方案进行仿真模拟,分析各方案对主探测电场的约束效果,提出一种最佳的布极设计方案。(3)基于COMSOL软件构建地电模型,探究坑道腔体大小以及坑道内外干扰异常体对探测效果的影响,并针对地质异常体偏离掘进断面中心线的情况进行扫描探测正演模拟,结果表明采用定点扫描探测方法可对地质异常体进行精准定位,其方位误差不超过4.47%。(4)构建双频激电法超前扫描探测发射装置电路设计方案,基于Multisim软件开展整流滤波模块、振荡选频模块和IGBT波形整合模块设计,得到幅值、频率(0.1Hz-1MHz)均可调的双频调制正弦波电流。通过简易阻容模型网络,验证双频正弦波发射装置的可靠性和精确度,得出视幅频率试验值与理论值误差不超过2.5%。搭建含水、断层典型有害地质构造阻容模型网络,得出视幅频率与视电阻率变化规律,为实际工程探测提供理论依据与指导。