隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置及方法。
技術(shù)背景
[0002]超前探測主要是在掘進巷道迎頭利用直接或間接的方法向隧道、巷道掘進方向和工作面進行探測，探測前方是否存在有害地質(zhì)構(gòu)造或富水體及導水通道，為隧道的安全掘進提供詳細的探測資料。
[0003]目前用于煤礦超前探測的直接方法為鉆探法，間接方法為物探法，其中鉆探法雖然鉆探的結(jié)果比較可靠，但施工周期較長，費用較高，對隧道、巷道的正常生產(chǎn)影響較大。
[0004]目前可用于超前探測的物探法主要有五種，分別是三極法超前探測方法、礦井瞬變電磁法、地震波法、鉆孔鉆好后再進行的鉆孔電法和鉆孔電磁法。
[0005]以上這些地球物理方法都是一種隧道、巷道、工作面或鉆孔鉆好后的鉆孔探測方法，由于巷道或工作面干擾較大，隧道、巷道內(nèi)的掘進機、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對三極法、礦井瞬變電磁法的觀測結(jié)果影響較大，同時，現(xiàn)場施工設計、數(shù)據(jù)觀測及成果分析較復雜，并且探測參數(shù)單一，只利用了電阻率一個參數(shù)，排除多解性能力差，結(jié)果存在多解性。如果采用上述多種方法組合使用，又大大增加了超前預報的預報成本；而孔鉆好后進行的鉆孔探測方法由于煤層較軟，鉆孔經(jīng)常塌孔而無法進行探測。地震波法主要解決地質(zhì)構(gòu)造界面的問題，對構(gòu)造的富水性無法進行解釋。
[0006]參考文獻:《電磁測深法原理》1990年、地質(zhì)出版社，樸化榮著；《時間域電磁法原理》2007年中南大學出版，牛之璉編著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對一種隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置及方法，通過該裝置和方法，可對掘進隧道、巷道迎頭及工作面正在鉆進的鉆孔進行探測，可以探測鉆孔周圍O?50米范圍內(nèi)的富水體和導水通道等有害地質(zhì)體并進行精細有效的探測預報。
[0008]為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設計的隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置，它包括現(xiàn)場主機、鉆機、一端與鉆機的鉆桿頭部螺紋連接的探測鉆桿、與探測鉆桿的另一端螺紋連接的鉆頭，其中，所述探測鉆桿內(nèi)設置有探測探頭，該探測探頭包括發(fā)射線圈、接收線圈、電磁波發(fā)射模塊、電磁波接收模塊、單片機、三維電子羅盤、探頭網(wǎng)口、第一存儲器，所述單片機的存儲端口連接第一存儲器，單片機的通信端連接探頭網(wǎng)口，單片機的羅盤通信端連接三維電子羅盤的通信端，單片機的電磁波發(fā)射控制信號輸出端連接電磁波發(fā)射模塊的輸入端，單片機的電磁波接收端連接電磁波接收模塊的輸出端，電磁波發(fā)射模塊的輸出端連接發(fā)射線圈，電磁波接收模塊的輸入端連接接收線圈，所述探頭網(wǎng)口能與現(xiàn)場主機進行數(shù)據(jù)通信。
[0009]一種利用上述隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測裝置進行鉆孔超前探測的方法，其特征在于，它包括如下步驟:
[0010]步驟1:將鉆機設置在巷道中，通過鉆機的鉆桿、探測鉆桿和鉆頭在圍巖中進行鉆孔操作；
[0011]步驟2:鉆機鉆進到鉆桿的尾端時停止鉆孔，此時的鉆孔深度等于探測鉆桿、鉆頭和一根鉆桿的長度之和，此時探測鉆桿由旋轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止狀態(tài)；
[0012]步驟3:探測鉆桿由旋轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止狀態(tài)時三維電子羅盤向單片機發(fā)出探測鉆桿處于靜止狀態(tài)的信號，此時單片機通過電磁波發(fā)射模塊和發(fā)射線圈依次完成兩組不同頻率的探測電磁波發(fā)射，兩組不同頻率的探測電磁波在隨鉆鉆孔內(nèi)形成不同頻率的兩組響應電磁波，接收線圈接收上述不同頻率的兩組響應電磁波，并將上述兩組不同頻率的響應電磁波以及對應的響應電磁波頻率數(shù)據(jù)傳輸給電磁波接收模塊進行數(shù)字化處理；單片機通過三維電子羅盤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)保存于單片機的第一存儲器中；
[0013]步驟4:將鉆機的鉆桿、探測鉆桿和鉆頭從隨鉆鉆孔取出，現(xiàn)場主機根據(jù)鉆桿、探測鉆桿和鉆頭的長度記錄此次鉆孔的深度，將探測鉆桿從鉆桿中拆卸下來，現(xiàn)場主機通過探測鉆桿內(nèi)的探頭網(wǎng)口讀取第一存儲器中的兩組不同頻率的響應電磁波數(shù)據(jù)以及對應的響應電磁波頻率數(shù)據(jù)、探測鉆桿的三維軌跡數(shù)據(jù)、探測時的時間數(shù)據(jù)；
[0014]步驟5:在鉆桿的尾部安裝另一根鉆桿，重新在隨鉆鉆孔內(nèi)進行第二次鉆孔操作，當鉆機鉆進到末端鉆桿的尾端時停止鉆孔，此時的鉆孔株度等于探測鉆桿、鉆頭和兩根鉆桿的長度之和，此時探測鉆桿由旋轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止狀態(tài)，然后利用步驟3和步驟4的方式使現(xiàn)場主機得到第二次鉆孔操作所對應的兩組不同頻率的響應電磁波數(shù)據(jù)以及對應的響應電磁波頻率數(shù)據(jù)、探測鉆桿(6)的三維軌跡數(shù)據(jù)、探測時的時間數(shù)據(jù)；
[0015]步驟6:現(xiàn)場主機根據(jù)上述兩次鉆孔操作的不同頻率的響應電磁波數(shù)據(jù)和對應的響應電磁波頻率數(shù)據(jù)，依據(jù)參考文獻《電磁測深法原理》中記載的現(xiàn)有方式計算得到以上各個頻率的響應電磁波對應的視電阻率值和相應頻率的探測半徑；
[0016]現(xiàn)場主機根據(jù)上述各個不同頻率的響應電磁波數(shù)據(jù)、各個頻率的響應電磁波對應的視電阻率值和相應頻率的探測半徑，依據(jù)參考文獻《電磁測深法原理》中記載的現(xiàn)有方法生成隨鉆鉆孔周圍圍巖的視電阻率圖譜；現(xiàn)場主機根據(jù)探測鉆桿的三維軌跡數(shù)據(jù)生成隨鉆鉆孔的軌跡圖；
[0017]步驟7:根據(jù)步驟6中得到的隨鉆鉆孔周圍圍巖的視電阻率圖譜和隨鉆鉆孔的軌跡圖，計算隨鉆鉆孔全孔所有測量位置的視電阻率的三倍均方差值，同時，計算全孔所有測量位置的視電阻率的平均值，將上述視電阻率的平均值分別減去全孔每個測量位置的視電阻率，如果某一個測量位置所對應的計算結(jié)果大于上述視電阻率的三倍均方差值，則說明該測量位置周圍0.5?50米半徑范圍內(nèi)存在低阻體異常，如果存在低阻體異常，則根據(jù)低阻體異常結(jié)果以及隨鉆鉆孔周圍的地質(zhì)資料依據(jù)參考文獻《電磁測深法原理》記載的方法分析造成低電阻率區(qū)域是否有含水體，這樣就可以實現(xiàn)隨鉆鉆孔的超前探測。
[0018]本發(fā)明相比于現(xiàn)有的超前預報設備和方法，本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:
[0019](I)采用本發(fā)明，將探測探頭安裝于鉆孔鉆機的鉆頭和鉆桿之間，通過螺紋連接并置于正在鉆進的鉆孔中，探測探頭可以發(fā)射高低不同頻率的一組電磁波來探測鉆孔周圍不同半徑距離的巖層地質(zhì)特征，判斷鉆孔周圍一定范圍內(nèi)有無含水體等有害地質(zhì)體。隨著鉆孔的鉆進，探頭自動在不同的鉆孔深度處進行探測，探測整個鉆孔周圍柱狀體內(nèi)的地層特征，探測范圍大，信息多，且相鄰測點的測試結(jié)果可以相互驗證，準確可靠。另外，本發(fā)明可大大減少探測鉆孔的數(shù)量，節(jié)省時間和成本，提高工作效益，同時也提高了煤礦井下巷道掘進隱伏水患的排除能力。
[0020](2)采用本發(fā)明，實現(xiàn)不同頻率的一組電磁波發(fā)射，探測數(shù)據(jù)量多，同時又在鉆孔內(nèi)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)，背景相對固定；因此，可以提高微弱信號的識別和處理能力，這樣可確保探測結(jié)果準確可靠，為指導巷道掘進提供更科學的依據(jù)。
[0021](3)采用本發(fā)明，可以實現(xiàn)現(xiàn)場主機探測時實時顯示探測結(jié)果，自動分析成圖并進行預報，無需復雜的人工數(shù)據(jù)分析和處理階段；能為地質(zhì)探測人員快速給出可靠的分析預報資料。因此，本發(fā)明的裝置具備可操作性、有效性和實用性等優(yōu)點。
[0022](4)與【背景技術(shù)】中介紹的孔鉆好后進行的鉆孔探測方法相比，本發(fā)明不存在因鉆孔坍塌而不能探測的情況，使鉆孔探測無盲區(qū)、無死角。
[0023]本發(fā)明實現(xiàn)巷道超前鉆孔進行隨鉆超前探測，可對鉆孔周圍半徑0.5?50米范圍內(nèi)進行精細掃描近距離探測，是鉆探和物探有機的結(jié)合，這樣既可提高物探的探測精度又可減少鉆探的鉆孔數(shù)量，做到掘進巷道超前精準探測。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)部分的使用狀態(tài)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明中現(xiàn)場主機部分的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖3為本發(fā)明中探測探頭部分的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖4為本發(fā)明中探測鉆桿部分的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]其中，I一現(xiàn)場主機、1.1一中央處理器、1.2—第二存儲器、1.3—人機交互設備、
1.4一主機網(wǎng)口、1.5一系統(tǒng)總線、2—探測探頭、2.1一發(fā)射線圈、2.2一接收線圈、2.3一電磁波發(fā)射模塊、2.4—電磁波接收模塊、2.5—單片機、2.6—三維電子羅盤、2.7—探頭網(wǎng)口、
2.8—第一存儲器、3—鉆機、4一鉆桿、5—隨鉆鉆孔、6—探測鉆桿、6.1—發(fā)射線圈基座、6.2一接收線圈基座、6.3