1 項(xiàng)目背景

目前在煤礦井下利用物探進(jìn)行超前水文地質(zhì)勘探時(shí)一般是在巷道及工作面表面利用物探設(shè)備進(jìn)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(cè)設(shè)備送入進(jìn)行探測(cè)，遇到鉆孔稍有變形、塌孔便無(wú)法實(shí)現(xiàn),甚至出現(xiàn)在鉆孔的同時(shí)可能透水的危險(xiǎn)。同時(shí)由于各種地質(zhì)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(dú)基于物探技術(shù)進(jìn)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(qiáng)度大、成本高的鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。為此，亟需研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)在鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行積水超前探測(cè)的裝置及解釋方法，及時(shí)顯示探測(cè)信息及分析結(jié)果，為掘進(jìn)安全提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究?jī)?nèi)容

（1）發(fā)明了一種隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測(cè)物探方法

該方法通過(guò)探測(cè)時(shí)將探測(cè)探頭置于探測(cè)鉆桿中，并隨鉆機(jī)一起鉆井，探頭根據(jù)鉆桿的工作狀態(tài)自動(dòng)探測(cè)，探測(cè)時(shí)通過(guò)發(fā)射接收不同頻率的一組電磁波來(lái)完成探測(cè)鉆孔周圍不同半徑的巖層地質(zhì)情況，當(dāng)鉆孔完成并在探測(cè)探頭退出鉆孔后，把探測(cè)探頭的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)主機(jī)，由現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)計(jì)算每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)處的鉆孔周圍不同半徑的地層的視電阻率，并生成整個(gè)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(nèi)的地質(zhì)特征，分析判定地層是否存在含水體或含水地質(zhì)構(gòu)造等。

（2）研發(fā)了一種隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)設(shè)備，為隨鉆探測(cè)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(jī)和探測(cè)鉆桿。整套儀器如圖1所示。由于探測(cè)探頭安裝在鉆桿中的狹小空間內(nèi)，必須要保證探測(cè)探頭與鉆桿之間的過(guò)水量、過(guò)水壓力和抗震等要求，同時(shí)探測(cè)探頭內(nèi)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(cè)探頭的研發(fā)是本研究中最重要、最有突破性的研究?jī)?nèi)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(cè)方法

將探測(cè)探頭和探測(cè)鉆桿安裝到鉆頭后面第一節(jié)位置，隨鉆探鉆孔時(shí)一起鉆進(jìn)；當(dāng)鉆桿由旋轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)，隨鉆探測(cè)探頭中的傳感器向控制器發(fā)出啟動(dòng)探測(cè)信號(hào)，接收線圈接收這組不同頻率的電磁波響應(yīng)，并傳輸給電磁波接收模塊進(jìn)行處理；同時(shí)通過(guò)三維姿態(tài)傳感器讀取當(dāng)時(shí)的探測(cè)鉆桿的三維軌跡數(shù)據(jù)和探測(cè)時(shí)的時(shí)間，并將所有數(shù)據(jù)保存于控制器的存儲(chǔ)器中。

當(dāng)鉆孔完成后并且全部鉆桿退出鉆孔外面時(shí)取出隨鉆探測(cè)探頭，主機(jī)根據(jù)記錄增加鉆桿的時(shí)間和鉆進(jìn)鉆孔深度，通過(guò)探頭的藍(lán)牙讀取隨鉆探測(cè)探頭的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各個(gè)頻率電磁波的響應(yīng)值所對(duì)應(yīng)的視電阻率值和相應(yīng)頻率的探測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的處理分析準(zhǔn)確預(yù)報(bào)技術(shù)

由于鉆孔內(nèi)避開井下人為的強(qiáng)干擾背景（由于鉆孔周圍圍巖單一，沒(méi)有掘進(jìn)機(jī)、底板的鐵軌、工字鋼支護(hù)、錨桿支護(hù)、運(yùn)輸皮帶支架等各種金屬設(shè)施），提高微弱信號(hào)的識(shí)別和處理能力，并通過(guò)檢驗(yàn)當(dāng)存在低阻體異常時(shí)，結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料進(jìn)行分析是否有含水體，使得探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

3 主要研究成果

（1）項(xiàng)目提出了在直徑為40 mm的煤礦井下掘進(jìn)鉆孔內(nèi),利用25 mm集成測(cè)量探頭對(duì)鉆孔周圍和孔底20 m～30 m范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)預(yù)報(bào)方法；

（2）研發(fā)了隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測(cè)裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了鉆探與物探相結(jié)合的鉆孔全方位探水技術(shù)，超前實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)時(shí)鉆探和物探有機(jī)結(jié)合的隨鉆超前探測(cè)。該探水設(shè)備，采用不同頻率的電磁波探測(cè)鈷孔周圍不同半徑范圍內(nèi)的巖層地質(zhì)特征，在鉆孔內(nèi)可避開井下強(qiáng)干擾背景，提高了微弱信號(hào)的識(shí)別和處理能力。試驗(yàn)表明，鉆孔周圍探測(cè)半徑在0 m～30 m范圍內(nèi)，克服了目前鉆孔探水儀因鉆孔塌孔而不能探測(cè)的問(wèn)題，鉆孔超前探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)盲區(qū)、無(wú)死角，解決煤礦井下水害探測(cè)難題。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）隨鈷鉆孔探測(cè)深度：50 m～300 m；

（2）探測(cè)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(shí)間：大于30 h；

（5）探水主機(jī)電池工作時(shí)間：大于30 h；

（6）探測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析程度：達(dá)到80%；

（7）防爆型式：礦用本質(zhì)安全型，防爆標(biāo)志：ExibI。

4 應(yīng)用效果

該項(xiàng)目充分研究了集團(tuán)公司生產(chǎn)礦井的地質(zhì)條件和煤巖的物理參數(shù)特性，建立了合理的數(shù)學(xué)解析模型，在每種地質(zhì)類型的礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、分析、總結(jié)，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(cè)裝置及方法，在塔山、同忻、燕子山等煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，隨鉆電磁波層析成像超前探測(cè)結(jié)果見如圖2所示。本項(xiàng)研究有效解決了掘進(jìn)水害超前探問(wèn)題，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。。

該項(xiàng)目于2020年1月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，研究成果為國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖2隨鉆電磁波層析成像超前探測(cè)結(jié)果圖