1. 引言
目前用于煤巷综掘超前探测的方法均存在一定的不足，主要表现在：探测准确率低、方向性差、实时性差、效率低、成本高、抗干扰能力差等突出问题[1] 。因此，文献[2] 提出了“动态电场激励法煤巷超前探测技术”，聚焦双频激电法源于动态电场激励法[1] [3] [4] ，该方法充分利用双频激电法原理[5] 的优点，结合电场聚焦和偏转理论，可实现地质异常体准确定位。本人所在课题组长期致力于聚焦双频激电法的研究，目前已经研制出发射装置和接收装置的实验样机。
目前国内各种超前探测方法的模拟实验主要用于隧道的超前探测，用于煤巷综掘超前探测的相关研究较少，更鲜有基于聚焦双频激电法的相关模拟实验研究。有学者基于直流电法超前探测技术，通过在沙坑中埋设已知的低阻体，在模拟巷道中布置电极的方式，采用网络并行电法勘测系统对前方已知的物体进行探测[6] 。还有学者基于矿井直流电法掘进超前探测理论，建立了独头巷道掘进面前方存在球体溶洞时的超前探测数学模型，探讨了溶洞至掘进面距离、溶洞半径、埋深等参数与视电阻率异常的联系，给出了相应理论曲线或经验公式，并采用沙槽模拟实验对理论进行验证[7] 。还有学者基于聚焦电流法隧道超前探测理论，采用两种电极布置方式进行沙槽模拟实验[8] 。
本文基于聚焦双频激电法，采用垂直于断面布置电极的方法，在土槽中放置含水异常体模型，模拟井下含水地质构造，通过变换屏流比及测量电极位置，开展土槽实验研究。通过对视幅频率数据的分析得到最佳屏流比及最佳测量电极位置。
2. 聚焦双频激电法原理
2.1. 双频激电法
双频激电法[5] 主要利用两种不同频率并具有相关性的方波电流进行叠加，同时供入大地，形成双频组合电流作为激励源；并接收含有地质异常信息的极化电势差，通过仪器内部的斩波放大、相敏检波等手段，得到其高频电位差与低频电位差，从而求得异常构造所产生的激发极化效应(induced polarization简称IP效应)。
通常使用“百分频率效应”(Percent frequency effect，缩写为PFE)、或视幅频率表征频域激发极化程度，其定义为：
(1.1)
式中，
和
分别表示高、低频电位差。双频激电法充分发挥频率域激电法的优点，将高低两种频率进行叠加调制，形成双频激发电流(如图1(a))，对探测区域进行激电激励，探测双频激电场电位差信息(如图1(b))，一次性同时得到高频电位差和低频电位差，即可直接计算视幅频率值。
该方法观测精度高，稳定性好，观测装置轻便灵活，并具有较强的抗干电磁扰能力，而且发射装置的电流变化也对测量结果影响较少。但是由于煤巷掘进工作特点，无法直接应用于煤巷掘进超前探测。该探测方法是聚焦双频激电法的基础。
2.2. 聚焦双频激电法
聚焦双频激电法源于双频激电法，依据空间电场效应，根据同性电场之间互相排斥的性质，在掘进工作面四周布置约束电极以形成约束电场，从而与主发射电极的探测电场进行相互作用，利用电场的约束作用，有效控制电场的传播方向，使探测电场的发射方向与发射范围控制一定范围内；并通过改变各约束电极电流强度，使探测电场发生偏转，从而实现对掘进面前方进行半空间探测，对含水地质异常构造进行准确定位，达到定方向、定距离探测的目的。如图2所示。
3. 实验样机功能
3.1. 发射样机
聚焦双频激电仪发射装置的实验样机已经初步研制并调试完成，且达到了预期的设计目标：
(1) 输入127 V交流电，输出五路相互隔离且幅值单路可调的调制方波电流，波形如图3所示；
(a)
(b)
Figure 1. Dual frequency waveform: (a) Synthesis of dual frequency modulated wave current; (b) Received waveform
图1. 双频激电波形：(a) 双频调制波电流的合成；(b) 接收波形示意图
(2) 发射装置的显示屏可显示各路输出的电流幅值Ii、电压值Vi和接地电阻值Ri；
(3) 与接收装置进行通讯，将各路输出的电流幅值传送给接收装置；
(4) 接受接收装置的控制信号且用该信号控制输出电流波形的频率和相位。
3.2. 接收样机
聚焦双频激电仪接收装置的实验样机已经初步研制并调试完成，且达到了预期的设计目标：
(a)
(b)
Figure 2. The focused dual frequency induced polarization method in advanced detection of coal roadway: (a) Driving surface electrode arrangement; (b) The arrangement of the electrodes in the vertical section of the tunnel and the schematic diagram of the constrained electric field; 1. Ground electrode; 2. Constrained electrode system Bi; 3. main electrode A and measuring electrode M; 4. Surrounding rock mass media
图2. 聚焦双频激电法超前探测方法：(a) 掘进面电极布置示意图；(b) 巷道纵切面电极布置及约束电场示意图，1. 接地电极；2. 约束电极系Bi；3. 主电极A及测量电极M；4. 围岩介质
Figure 3. Schematic diagram of output current
图3. 输出电流波形示意图
(1) 接收的高低频电压信号频率为以下四组中的任意一组：1 Hz与1/13 Hz、2 Hz与2/13 Hz、4 Hz与4/13 Hz、8 Hz与8/13 Hz；
(2) 提取及显示与巷道前方地质结构相关的参数：高低频电位差幅值与相位、视幅频率；
(3) 可将数据进行存储并通过外设接口导出到移动存储设备中；
(4) 发出控制信号控制发送机各路电流输出的波形频率和相位。
4. 实验设计
4.1. 土槽实验模型设计
参照煤矿安全规程和井下探放水技术规范MT/T632-1996，取探水起点至积水区距离为40米，设巷道掘进断面尺寸宽5 m × 高4 m，按1:10比例进行设计。在平坦大地开挖一个土槽，使巷道腔体模型尺寸长为4.3 m，深为0.8 m。含水异常体腔的尺寸为宽1.5 m ×厚0.5 m ×高1.1 m，如图4所示。
4.2. 布极方案设计
本实验在有无异常体下，变换屏流比约束条件和测量电极位置开展实验。其中，无约束时主电极电流取30 mA；屏流比为1:1时主电极和约束电极电流均为30 mA；屏流比为1:2时，约束电极电流为15 mA，主电极电流为30 mA；屏流比为2:1时，约束电极电流为30 mA，主电极电流为15 mA。另外实验过程中频率对选择1 Hz和1/13 Hz。具体方案设计如图5所示。
5. 数据处理及分析
5.1. 测量电极M在靠近主电极一侧
在不同聚焦条件下，将测量电极M固定在靠近电极一侧，改变MN距离实验，如图6所示。此时的聚焦方案依次为无聚焦、屏流比分别为1:1、2:1、2:1等四个方案；布极时，测量电极M固定，依次在MN1、MN2和MN3之间测量，MN之间的距离依次为5 cm、10 cm、15 cm。
四种聚焦方案下，PFE%值曲线如图7所示，PFE%相对增长率曲线如图8所示，高低频电位曲线如图9所示。
从图7不同聚焦条件下有无异常体PFE%对比曲线和图8不同聚焦条件下有异常体PFE%相对增长率曲线图中，可以看出四种聚焦条件下得到的数据都能反映异常。有约束比无约束的PFE%差别大很多，即有约束比无约束对异常体反应更加灵敏。另外，屏流比为1:2和2:1时有、无异常体的PFE%值随MN距离变动变化比较剧烈，屏流比为1:1时有、无异常体的PFE%值变化适中。
Figure 4. Experimental model of soil tank
图4. 土槽实验模型
Figure 6. Measuring electrode M is at the side of the main electrode
图6. 测量电极M在靠近主电极一侧布极
Figure 7. Comparison of PFE% with or without abnormal body under different focusing conditions
图7. 不同聚焦条件下有无异常体PFE%对比
Figure 8. The relative growth rate of PFE% with abnormal body in different focusing conditions
图8. 不同聚焦条件下有异常体PFE%相对增长率曲线
Figure 9. High and low frequency potential curves under different focusing conditions
图9. 不同聚焦条件下高低频电位曲线
分析其原因，从图9可看出，无约束时电位值较大，约束为1:1时电位值适中，屏流比为1:2和2:1时电位值较小。根据PFE计算公式可知，当介质极化率一定(一定时)，电位基数越大对异常反应的淹没就越大。同理，电位基数越小则误差的影响就会被放大。所以无约束时由于电位基数较大，导致PFE%值较小探测灵敏度较差；屏流比为1:2和2:1时电位基数较小，虽然PFE%值较大，但是由于误差的影响被放大故PFE%的稳定性很差，实际探测时容易引起误判；约束为1:1时电位基数适中，PFE%较大探测灵敏度较高。
因此，从以上实验可得出：在M固定，依次在MN1、MN2和MN3之间测量这种布极方式下，采用屏流比1:1进行探测，这种探测方式测得的灵敏度和可靠性都较高。
5.2. 测量电极M在远离主电极一侧
在不同聚焦条件下，将测量电极M固定在远离电极一侧，改变MN距离实验，如图10所示。此时的聚焦方案依次为无聚焦、屏流比分别为1:1、2:1、2:1等四个方案；布极时，测量电极M固定，依次在MN1、MN2和MN3之间测量，MN之间的距离依次为5 cm、10 cm、15 cm。
四种聚焦方案下，PFE%值曲线如图11所示，PFE%相对增长率曲线如图12所示，高低频电位曲线如图13所示。
从图11和图12中可以看出这种布极方案下测得的有、无异常体的PFE%值出现了交叉，还会有很大的负值出现，并且有异常体时PFE%值随MN距离的变化而变化的非常激烈。
分析其原因，这是由于在这种布极方式下测的电位差较小，误差影响被放大引起的。
因此，从以上实验可得出：这种布极方法的误差太大，实际应用时非常容易引起误判，所以不建议采用这种布极方案。
5.3. 测量电极MN跑极
在不同聚焦条件下，将测量电极MN进行跑极实验，如图14所示。此时的聚焦方案依次为无聚焦、屏流比分别为1:1、2:1、2:1等四个方案；布极时，依次在M1N1、M2N2和M3N3之间测量，MN之间的距离为5 cm。
Figure 10. Measuring electrode M is far from the side of the main electrode
图10. 测量电极M在远离主电极一侧布极
Figure 11. Comparison of PFE% with or without abnormal body under different focusing conditions
图11. 不同聚焦条件下有无异常体PFE%对比
Figure 12. The relative growth rate of PFE% with abnormal body in different focusing conditions
图12. 不同聚焦条件下有异常体PFE%相对增长率曲线
Figure 13. High and low frequency potential curves under different focusing conditions
图13. 不同聚焦条件下高低频电位曲线
Figure 14. Measuring electrode MN as running pole
图14. 测量电极MN跑极
四种聚焦方案下，PFE%值曲线如图15所示，PFE%相对增长率曲线如图16所示，高低频电位曲线如图17所示。
从图15和图16可以看出这种布极方案下测得的有、无异常体的PFE%值出现了交叉，还会有很大的负值出现，并且有异常体时PFE%值随MN距离的变化而变化的非常激烈。
分析其原因，这是由于在这种布极方式下测的电位差较小，误差影响被放大引起的。
因此，从以上实验可得出，这种布极方法误差的影响太大，实际应用时非常容易引起误判，所以不建议采用这种布极方案。
6. 结论
综合分析在有、无异常体的实验条件下，3种布极方式，4种聚焦方案的实验数据，得到对异常体灵敏度较高，且误差干扰较低的最佳探测方案如下：
Figure 15. Comparison of PFE% with or without abnormal body under different focusing conditions
图15. 不同聚焦条件下有无异常体PFE%对比
Figure 16. The relative growth rate of PFE% with abnormal body in different focusing conditions
图16. 不同聚焦条件下有异常体PFE%相对增长率曲线
Figure 17. High and low frequency potential curves under different focusing conditions
图17. 不同聚焦条件下高低频电位曲线
(1) 最佳布极方案为：测量电极M固定在靠近主电极的一侧，通过改变N的位置来改变MN距离；
(2) 最佳屏流比1:1：四个约束电极的电流值与主电极取相同的电流值，这时的聚焦效果更好；
(3) 本文给出了在室内土槽实验模型条件下的测试实验结果，可作为实际煤巷情况下测试实验的理论基础。鉴于仪器目前的条件，后续实测条件下的实验还有待研究。
基金项目
国家“十二五”863计划重大项目(2012AA06A405)。