基于COMSOL的三点源供电直流电法超前探测技术.pdf

168method based on COMSOLSafetyinCoalMines,2023.548):168-172移动扫码阅读GAOWeifu,WANGKewei,HUAnshun,et al.Advancedetection technology of three-pointsourceDC):168-172三点源供电直流电法超前探测技术J.煤矿安高卫富，王克未，胡安顺，等.基于COMSOL的Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.023基于COMSOL的三点源供电直流电法超前探测技术高卫富1，王克未，胡安顺3，王乃军1（1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛2 6 6 0 0 0;2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛2 6 6 0 0 0；3.山东省第五地质矿产勘查院，山东泰安2 7 1 0 0 0）摘要：传统单点供电电极直流电法超前探测技术对远距离异常体探测时，随着探测距离增加，信号逐渐减弱，准确度大大降低。为了解决远距离超前探测误差较大的问题，结合已有直流电法超前探测技术，将单点源供电，改为三点源供电；利用COMSOL软件进行模拟，绘制测线视电阻率曲线图，并通过SURFER绘制视电阻率剖面图。结果表明：三点源供电可以较好反映出远距离异常体位置，增加了超前探测有效距离，提高了超前探测准确度。关键词：矿井水害防治；超前探测技术；直流电法；三点源供电；COMSOL中图分类号：TD163文献标志码：B文章编号：1 0 0 3-49 6 X(2023)08-168-05Advance detection technology of three-point source DC method based on COMSOLGAO Weifu,WANG Kewei?,HU Anshun,WANG Naijun*(1.College of Energy and Mining Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000,China;2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000,China;3.Shandong Fifth Institute of Geology and Mineral Exploration,Taian 271000,China)Abstract:When the traditional single point power supply electrode DC advance detection technology is used to detect the long-distance anomaly,the signal gradually weakens and the accuracy greatly decreases with the increase of detection distance.In orderto solve the problem of large error in long distance advance detection,we combine the existing DC method advance detectiontechnology to change the power supply from single point source to three-point source,use COMSOL software to simulate,draw theapparent resistivity curve of the survey line,and draw the apparent resistivity profile through SURFER.The results show that thethree-point source power supply can better reflect the location of the remote abnormal body,increase the effective distance ofadvance detection,and improve the accuracy of advance detection.Key words:prevention and control of mine water disaster;advanced detection technology;direct current method;three-pointsourcepower supply;COMSOL直流电法超前探测技术作为矿井水害防治的主要物探方法之一，可以对巷道迎头前方富水性区域进行有效的探查川。直流电法超前探测技术问世至今，国内学者对直流电法超前探测技术发展做了巨大的贡献。在探测方法方面，最初的观测方法是单极-偶极电阻率法 2 ,刘青雯 3 提出了三点-三极超前收稿日期：2 0 2 2-1 0-1 4责任编辑：李力欣基金项目：国家自然科学资金资助项目（41 8 0 7 2 8 3）；山东科技大学人才引进科研启动基金资助项目（2 0 1 4RCJJ036）作者简介：高卫富（1 9 8 3一），男，山东临淄人，副教授，硕士研究生导师，博士，从事地球物理勘探与矿井水防治方面的教学与研究工作。E-mail:gaoweifu-:169Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54第8 期煤矿发全第54卷探测方法，大大提高了准确度；韩德品等 4 提出了7电极系超前探测系统，能定量解释掘进巷道前方0 140m内灾害性含导水地质构造及其位置；王运彬等 5提出了孔内直流电法超前探测，受干扰体影响小，更加灵敏准确；GAO等 6 、徐佳等 7 实现了三维电阻率法与超前探水的结合。在数值模拟方面，马炳镇等 8 、鲁晶津等 9 、占文锋等 1 0 、石学锋 1 指出了直流电法超前探测结果受到巷道空间和顶底板岩性的影响。随着我国经济的快速发展，煤炭开采已进人深部煤层，面对的更加复杂的地质问题，传统的直流电法超前探测无法完全解决巷道前方不良地质体问题。这是因为：传统的直流电法超前探测随着探测距离的增加，信号逐渐减弱；当异常体处于较远距离时，异常体响应不明显，对探测精度造成很大的影响。基于此，为了进一步提高观测精度,增强远距离观测信号，将直流电法超前探测三极装置中单个电极供电（单点源），改为3个电极供电（三点源）；通过COMSOL，模拟直流电法超前探测中单点源和三点源的工作方式，提取数据进行处理；结果显示三点源供电观测效果优于单点源供电，验证了三点源供电提高直流电法超前探测效果的可行性。1直流电法超前探测观测方式直流电法超前探测装置观测方式及点位示意如图1。异常体3（a）供电电极点位示意MA(b）三极装置图1 装装置观测方式及点位示意Fig.1Illustration of the observation mode and point ofthe device1)单点源超前探测观测方式。单点源超前探测即在巷道迎头后方安置1 个供电电极进行直流电法超前探测，每条测线共布设1 5个电极，单位电极距5m。如图1(a）,在巷道左帮（点1)为起点安置电极，进行巷道左帮处测线观测。数据采集完成后，分别在巷道中点（点2)和巷道右帮（点3)为起点安置电极进行第2 条测线和第3条测线观测。本次研究仅采用每条测线的1 层数据点，3条测线数据点组成视电阻率剖面。如图1(b）,M、N为测量电极，A为供电电极，数据记录点为测量电极中点。M、N、A 3个电极同时向右移动，得到1 层数据值。2）三点源超前探测观测方式。三点源超前探测即在巷道左帮（点1）、巷道中点（点2)和巷道右帮（点3）为起点同时安置供电电极，3条测线同时进行数据采集。电极移动方式与单点源超前探测相同，数据记录点为测量电极中点，得到1 层数据值。2COMSOL数值模拟实现方法COMSOL软件是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程的多物理场仿真软件。直流电法超前探测模拟是将预先建立好的地电模型进行数值计算，得到稳定场的分布情况。COMSOL数值模拟流程图如图2。运行COMSOL建立地电模型物理场赋值添加材料属性网格细化部分数值计算数据后处理结果图2COMSOL数值模拟流程图Fig.2COMSOL numerical simulation flowchart通过COMSOL模拟直流电法超前探测，需要运用物理场中的电流单元，为保证数值模拟的准确性，选择稳态求解器。本次数值模拟研究涉及2 个模型，分别为低阻异常体位于巷道迎头前方2 0 m处和50 m处。模型示意图如图3。模型设定如下：1)模型1。低阻异常体位于巷道迎头前方2 0 m处。围岩设定为半径50 0 m的球体，并将球体分层设为无限元域，无限元域厚度为3m。该设置能反应地下真实介质情况，并能满足电位分布方程组对边界条件的要求。巷道模型宽x深高为2 0 0 m10mx10m，居中于点（-1 0 0,0,5)处，异常体模型宽深170Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤砺发全Vol.54第54卷第8 期异常体巷道20m（a）近距离异常体模型异常体巷道50m（b）远距离异常体模型图3模型示意图Fig.3Model schematic高为5mx10mx40m，居中于点（2 2.5,0 0)处。围岩的电阻率设置为1 0 0 0 2，巷道的电阻率设置无穷大，异常体电阻率设置为1 0 Q。将电流加载集中一点，模拟供电电极，3条测线点电源的初始位置分别为（-1 0,5,0）（-1 0,0,0)和（-1 0，-5,0），电流设置为1 A,模型电势初始值为0。如图3(a)。2)模型2。低阻异常体位于巷道迎头前方50 m处。围岩、巷道、供电电极和电势初始值设置同模型1。低阻异常体向后移30 m，居中于点（55.5,0,0），电阻率设置为1 0 Q。如图3(b)。地电模型构建后，需将无限元域定义为接地边界。定义完成后，要进行网格剖分，三维网格的剖分主要采用自由剖分四面体网格，对模型进行细化处理。设置网格最小单元为0.6 m，最大单元增长率为1.2。将测量电极所在点位设为三维节点。计算完成后，使用一维绘图组导出测量电极所在点位电势值，利用公式计算得出视电阻率。3COMSOL数值模拟结果3.1近距离异常体COMSOL数值模拟结果根据模型1 计算得出的视电阻率值绘制曲线图，图中横坐标代表超前探测距离，纵坐标代表视电阻率。近距离异常体视电阻率曲线图如图4。图4(a)和图4(b)中各条曲线在x=20m至x=25m处视电阻率有最小值,与模型中低阻异常体的位置较吻合。单点源近距离异常体观测时，从图4(a)中可以看出：巷道中点处测线的视电阻率相对较高；3条测线对低阻异常体的响应程度各有不同：巷道右帮测线对低阻异常体响应相对较强，巷道左帮测线在低阻异常体附近视电阻率变化不明显，响应较弱，随着探测距离的增加，巷道左帮测线相比于其它2 条测线视电阻率值起伏较大。(u.U)/率取申2.0006001200800左帮中点 右帮400010203040506070超前探距离/m（a）单点源视电阻率(U.U)/率国审2.00016001200左帮+中点-右帮800010203040506070超前探距离/m（b）三点源视电阻率图4近距离异常体视电阻率曲线图Fig.4Close-distance abnormal apparent resistivitycurves三点源近距离异常体观测时，从图4(b）中可以看出：巷道中点测线的视电阻率只在靠近迎头处明显高于两帮，低阻异常体附近的视电阻率值有所变化，依旧能对异常体有良好的分辨；3条测线在异常体附近视电阻率变化差异不大，异常体的响应程度相近；视电阻率曲线随着探测距离的增加没有较大起伏，相比于单点源观测稳定性好。为了更好地展现数值模拟的结果，将模型1 的视电阻率进行处理，利用SURFER软件绘制视电阻率面图，图中横轴为超前探测距离，巷道左帮方向为纵轴正方向，右帮方向为负方向。近距离异常体视电阻率剖面图如图5。10050090013001700Qm50-5510152025 30354045505560超前探测距离/m（a）单电源视电阻率100012001400160018002.m5/0-551015202530354045505560超前探测距离/m（b）三点源视电阻率图5近距离异常体视电阻率剖面图Fig.5Close-distance anomalous apparent resistivityprofileSafety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤码发全No.8Vol.54第8 期第54卷单点源近距离异常体观测时，从图5(a)中可以看出：水平位置2 0 2 5m处存在1 个低阻异常体，巷道两帮处异常体边界有些许扩散，低阻异常体边界存在一定的偏差；巷道右帮处异常体响应最强，高阻区位于y轴方向-2.5 2.5m，x 轴0 2 0 m和4560m处，符合单点源观测视电阻率曲线特征。三点源近距离异常体观测时，从图5(b)中可以看出：将供电电极数量增加到3个后，低阻异常体的位置仍处于水平位置2 0 2 5m处，巷道两帮处异常体边界并无扩散；高阻区仅位于y轴方向-2.52.5m，x 轴0 5m，靠近巷道迎头处；3条测线对低阻异常体的响应程度相似，符合三点源观测视电阻率曲线特征。与单点源观测相比，三点源观测对异常体的识别能力有所增强，视电阻率最小值的位置基本不变。当低阻异常体距巷道迎头较近时，2 种观测方式均可以较好反映低阻异常体的位置。3.2远距离异常体COMSOL数值模拟结果根据模型2 计算得出视电阻率值绘制曲线图，远距离异常体视电阻率曲线图如图6。图6 a）远距离单点源超前探测和图6（b）远距离三点源超前探测位于巷道中点测线视电阻率值较大，与模型1 特征相似。(U.U)/率明审25500左帮中点右帮2.00015001000010203040506070超前探距离/m（a）单点源视电阻率(UU)/率时审180014001000左帮+中点右帮600010203040506070超前探距离/m（b）三点源视电阻率图6远距离异常体视电阻率曲线图Fig.6Long-distance abnormal apparent resistivitycurves单点源远距离异常体观测时，从图6(a）中可以看出：当测线位于巷道中点和巷道左帮时，视电阻率具有明显的最小值；巷道中点测线视电阻率最小值位于水平位置45 50 m处，巷道左帮测线视电阻率最小值位于水平位置2 5 30 m处；2 处最小值与所设低阻异常体位置不符，出现低阻异常体位置提前情况；巷道右帮测线视电阻率值在水平位置0 5m和50 55m处相对较低。三点源远距离异常体观测时，从图6(b)中可以看出：当曲线中视电阻率最小值比较明显，3条测线视电阻率极小值都位于水平位置50 55m处；位于巷道中点与巷道左帮的测线对低阻异常体响应程度较强，巷道右边的测线对低阻异常体响应程度较弱；整体视电阻率值相对稳定，在靠近异常体时有较大起伏。由图6(a）曲线和图6(b)曲线对比可得：单点源观测对远距离低阻异常体响应较弱，不能较好地反映出低阻异常体的位置，存在较大误差；三点源观测巷道右帮对远距离低阻异常体响应程度较差，但能较好反映出低阻异常体位置。利用SURFER绘制模型2 的视电阻率剖面图，远距离异常体视电阻率剖面图如图7。100012001 400160018002000.2m5/0-55101520 2530 354045505560超前探测距离/m（a）单点源视电阻率剖面图60080010001200140016002m5u/0-55101520253035404550 5560超前探测距离/m（b）三点源视电阻率剖面图图7远距离异常体视电阻率剖面图Fig.7 Long-distance anomalous apparent resistivityprofile单点源远距离异常体观测时，由图7(a)可以看出：低阻异常区主要位于在水平位置45 50 m和巷道右帮50 55m处，巷道两帮出现断续的低阻异常区；单点源观测对远距离低阻异常体有响应，但低阻异常体位置提前。三点源远距离异常体观测时，由图7(b)可以看出：低阻异常体位于水平位置50 55m处，与模型设置低阻异常体位置相符；相比于近距离低阻异常体，三点源观测对远距离低阻异常体响应程度略微降低，巷道右帮处无法判断异常体边界由图7(a）曲线和图7(b)曲线对比可得：低阻172Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54卷异常体距离较远时，单点源观测和三点源观测对低阻异常体都有较好响应；单点源观测存在较大误差，低阻异常体位置出现提前情况，无法正确反映出低阻异常体位置；三点源观测可以有效反映出低阻异常体位置。4结语1)单点源超前探测对近距离低阻异常体具有较好的探测效果。异常体距离增大后，单点源观测对低阻异常体有响应，但异常体位置出现了偏移（提前）情况，存在较大误差。2)三点源超前探测相比于单点源观测，不仅对低阻异常体识别能力更强，观测更加稳定，而且对远距离低阻异常体具有较好的响应3）通过模拟三点源超前探测发现，采用三点源观测能够减小探测距离对探测信号的影响，增强探测效果，增加探测距离。参考文献(References):1岳建华，薛国强.中国煤炭电法勘探36 年发展回顾J.地球物理学进展，2 0 1 6,31（4)：1 7 1 6-1 7 2 4.YUE Jianhua,XUE Guoqiang.Review on the develop-ment of Chinese coal electric and electromagneticprospecting during past 36 years JJ.Progress in Geo-physics,2016,31(4):1716-1724.2李玉宝.矿井电法超前探测技术 J.煤炭科学技术，2002(2):1-3.LI Yubao.Mine electric method pilot detection technol-ogy J.Coal Science and Technology,2002(2):1-3.3刘青雯.井下电法超前探测方法及其应用 J.煤田地质与勘探，2 0 0 1(5）：6 0-6 2.LIU Qingwen.Underground electrical lead surveymethod and its applicationJ.Coal Geology&Explo-ration,2001(5):60-62.4韩德品，李丹，程久龙，等.超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法 J.煤炭学报，2 0 1 0，35（4）：6 35-639.HAN Depin,LI Dan,CHENG Jiulong，e t a l.D Cmethod of advanced detecting disastrous 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