隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探水設備及方法研究

1 項目背景

目前在煤礦井下利用物探進行超前水文地質勘探時一般是在巷道及工作面表面利用物探設備進行勘探,這樣勘探深度和廣度上受到了一定的限制；也有少部分利用鉆孔在到位退桿后再將探測設備送入進行探測，遇到鉆孔稍有變形、塌孔便無法實現(xiàn),甚至出現(xiàn)在鉆孔的同時可能透水的危險。同時由于各種地質條件和圍巖條件的差異性，以及解釋方法的多解性，再加上環(huán)境和人為因素的干擾，單獨基于物探技術進行的判斷和解釋都有程度不一的誤差甚至是誤判，因此，超前物探后還必須采用施工強度大、成本高的鉆探進行驗證。為此，亟需研發(fā)一種能夠實現(xiàn)在鉆進的同時進行積水超前探測的裝置及解釋方法，及時顯示探測信息及分析結果，為掘進安全提供科學依據(jù)。

2 研究內容

（1）發(fā)明了一種隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測物探方法

該方法通過探測時將探測探頭置于探測鉆桿中，并隨鉆機一起鉆井，探頭根據(jù)鉆桿的工作狀態(tài)自動探測，探測時通過發(fā)射接收不同頻率的一組電磁波來完成探測鉆孔周圍不同半徑的巖層地質情況，當鉆孔完成并在探測探頭退出鉆孔后，把探測探頭的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場主機，由現(xiàn)場主機計算每一個探測點處的鉆孔周圍不同半徑的地層的視電阻率，并生成整個鉆孔深度周圍不同半徑的視電阻率圖譜，根據(jù)視電阻率圖譜判定以鉆孔軸線為中心圓柱體空間內的地質特征，分析判定地層是否存在含水體或含水地質構造等。

（2）研發(fā)了一種隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測設備，為隨鉆探測提供了手段。

礦用本安型隨鉆鉆孔電磁成像探水儀主要包括隨鉆電磁發(fā)射接收探頭、儀器主機和探測鉆桿。整套儀器如圖1所示。由于探測探頭安裝在鉆桿中的狹小空間內，必須要保證探測探頭與鉆桿之間的過水量、過水壓力和抗震等要求，同時探測探頭內還要安裝發(fā)射、接收和控制等所有電路。因此隨鉆電磁發(fā)射接收探測探頭的研發(fā)是本研究中最重要、最有突破性的研究內容。

圖1礦用本安型隨鉆鉆孔電磁成像探水儀

（3）研發(fā)了一種隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測方法

將探測探頭和探測鉆桿安裝到鉆頭后面第一節(jié)位置，隨鉆探鉆孔時一起鉆進；當鉆桿由旋轉變?yōu)殪o止狀態(tài)時，隨鉆探測探頭中的傳感器向控制器發(fā)出啟動探測信號，接收線圈接收這組不同頻率的電磁波響應，并傳輸給電磁波接收模塊進行處理；同時通過三維姿態(tài)傳感器讀取當時的探測鉆桿的三維軌跡數(shù)據(jù)和探測時的時間，并將所有數(shù)據(jù)保存于控制器的存儲器中。

當鉆孔完成后并且全部鉆桿退出鉆孔外面時取出隨鉆探測探頭，主機根據(jù)記錄增加鉆桿的時間和鉆進鉆孔深度，通過探頭的藍牙讀取隨鉆探測探頭的數(shù)據(jù)，計算得到各個頻率電磁波的響應值所對應的視電阻率值和相應頻率的探測半徑，生成隨鉆鉆孔周圍圍巖的視電阻率圖譜。

(4)研發(fā)了一種煤礦隨鉆電磁層析成像探測數(shù)據(jù)的處理分析準確預報技術

由于鉆孔內避開井下人為的強干擾背景（由于鉆孔周圍圍巖單一，沒有掘進機、底板的鐵軌、工字鋼支護、錨桿支護、運輸皮帶支架等各種金屬設施），提高微弱信號的識別和處理能力，并通過檢驗當存在低阻體異常時，結合鉆孔地質資料進行分析是否有含水體，使得探測結果準確可靠。

3 主要研究成果

（1）項目提出了在直徑為40 mm的煤礦井下掘進鉆孔內,利用25 mm集成測量探頭對鉆孔周圍和孔底20 m～30 m范圍內進行探測預報方法；

（2）研發(fā)了隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置及方法，實現(xiàn)了鉆探與物探相結合的鉆孔全方位探水技術，超前實現(xiàn)了巷道掘進時鉆探和物探有機結合的隨鉆超前探測。該探水設備，采用不同頻率的電磁波探測鈷孔周圍不同半徑范圍內的巖層地質特征，在鉆孔內可避開井下強干擾背景，提高了微弱信號的識別和處理能力。試驗表明，鉆孔周圍探測半徑在0 m～30 m范圍內，克服了目前鉆孔探水儀因鉆孔塌孔而不能探測的問題，鉆孔超前探測范圍內無盲區(qū)、無死角，解決煤礦井下水害探測難題。

主要技術指標：

（1）隨鈷鉆孔探測深度：50 m～300 m；

（2）探測鉆孔周圍圍巖半徑：0 m～30 m；

（3）探頭適用鉆桿：50 mm～70 mm；

（4）探頭的電池工作時間：大于30 h；

（5）探水主機電池工作時間：大于30 h；

（6）探測數(shù)據(jù)自動分析程度：達到80%；

（7）防爆型式：礦用本質安全型，防爆標志：ExibI。

4 應用效果

該項目充分研究了集團公司生產礦井的地質條件和煤巖的物理參數(shù)特性，建立了合理的數(shù)學解析模型，在每種地質類型的礦井進行了現(xiàn)場試驗、分析、總結，最后形成了一套完善的隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置及方法，在塔山、同忻、燕子山等煤礦進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，隨鉆電磁波層析成像超前探測結果見如圖2所示。本項研究有效解決了掘進水害超前探問題，社會經濟效益顯著，推廣應用前景廣闊。。

該項目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領先水平。

圖2隨鉆電磁波層析成像超前探測結果圖