臧歡歡

（晉能控股集團(tuán)山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（大同）技術(shù)中心 山西大同037003）

0 引言

針對(duì)目前煤礦掘進(jìn)超前物探均受巷道或工作面內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)、底板的鐵軌、工字鋼支護(hù)、錨桿支護(hù)、運(yùn)輸皮帶支架等金屬設(shè)施影響較大，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率低，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工、數(shù)據(jù)觀測(cè)及成果分析較為復(fù)雜，且探測(cè)參數(shù)單一，排除多解性能力差，鉆探法施工復(fù)雜且成本高的特點(diǎn)，研發(fā)了隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測(cè)設(shè)備[1]。

1 頻率域電磁測(cè)深的原理

隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測(cè)是利用電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng)（δ）來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔周?chē)煌霃降奶綔y(cè)，鉆孔周?chē)膸r石介質(zhì)的電阻率與電磁激發(fā)頻率有密切關(guān)系，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的電阻率值一定時(shí)，選用不同的頻率便可達(dá)到不同的勘探半徑，高頻電磁波衰減快，穿透深度小，只反映鉆孔附近巖層的地電斷面的特點(diǎn)；低頻電磁波衰減慢，穿透深度大，便可反映鉆孔較大半徑巖層的地質(zhì)特點(diǎn)[2]。

隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測(cè)采用電磁偶極剖面法裝置，該裝置的特點(diǎn)是裝置輕便、類(lèi)型多樣、使用靈活、工作效率較高，可選擇與地質(zhì)體有較強(qiáng)耦合關(guān)系的發(fā)射方式來(lái)提高方法的探測(cè)能力[3]。根據(jù)鉆孔探測(cè)的特性，設(shè)計(jì)電磁波發(fā)射接收線頻帶為100 kHz～2 kHz，采用2的倍數(shù)關(guān)系從高頻向低頻逐頻掃描發(fā)射接收。由于隨鉆探測(cè)探頭發(fā)射與接收線圈的相距較小，約0.8 m，全頻率段電磁波的探測(cè)距離落在電磁場(chǎng)的過(guò)渡場(chǎng)區(qū)與近場(chǎng)區(qū)之間，其中主要落在電磁場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行鉆孔周?chē)鷩鷰r的探測(cè)，隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測(cè)偶極裝置示意圖如圖1所示。

圖1 隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測(cè)偶極裝置示意圖

2 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)設(shè)備的研究

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2所示。

圖2 探測(cè)儀主機(jī)

隨鉆探測(cè)探頭采集鈹銅材料，其加工后沒(méi)有余磁特性對(duì)三維羅盤(pán)進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量沒(méi)有任何干擾，且強(qiáng)度高、耐磨性好。探頭外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，探測(cè)探頭與隨鉆鉆桿安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于探測(cè)探頭直徑較小，為保證發(fā)射的電磁信號(hào)與接收的電磁信號(hào)能有效穿透，其電磁發(fā)射接收的透電磁波窗采用航空級(jí)工程PE塑料管。為了保證探測(cè)探頭有很好的抗震性能，在探測(cè)探頭的兩端研制了減震效果好并能保證一定強(qiáng)度的尼龍隔震器；同時(shí)為保證探測(cè)探頭與隨鉆鉆桿之間有很好的過(guò)水通道，這樣其隔震器采用三角形狀，與鉆桿只有三個(gè)接觸點(diǎn)，確保探測(cè)探頭在鉆桿中是居中和起到隔震作用。同時(shí)，所有電路板都用密封硅膠材料進(jìn)行灌封，提高探測(cè)電路的抗震性能和防水效果。

圖3 隨鉆探測(cè)探頭

圖4 探頭與隨鉆鉆桿安裝結(jié)構(gòu)圖

隨鉆鉆桿在安裝探測(cè)探頭的二個(gè)電磁波透射窗部位開(kāi)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的電磁波透射窗槽（共四個(gè)電磁波透射窗槽），為確保發(fā)射接收的電磁信號(hào)具有方向性，則對(duì)稱(chēng)的電磁波透射窗槽必須與探測(cè)探頭的透射窗對(duì)應(yīng)。

隨鉆探測(cè)探頭的電路采用高度集成化和模塊化方案，將發(fā)射電路、接收電路、發(fā)射線圈、接收線圈、三維電子軟盤(pán)及中央控制系統(tǒng)集成在寬25 mm、長(zhǎng)450 mm的電路板上，采用極低功耗、軍工級(jí)的電子器件。采用鉆桿旋轉(zhuǎn)和長(zhǎng)時(shí)間停鉆時(shí)對(duì)電路采取休眠狀態(tài)，這樣可以大大提高探測(cè)探頭一次充電情況下的工作時(shí)間。隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)如圖5所示，隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)探頭結(jié)構(gòu)如圖6所示，隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)鉆桿結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)圖

圖6 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)探頭結(jié)構(gòu)圖

圖7 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動(dòng)探測(cè)鉆桿結(jié)構(gòu)圖

隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探水設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如下：

①隨鉆鉆孔探測(cè)深度：50 m～300 m；

②探測(cè)鉆孔周?chē)鷩鷰r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自動(dòng)分析探測(cè)數(shù)據(jù)：80%；

⑥防爆標(biāo)志：ExibI。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻礦進(jìn)行了隨鉆電磁波探測(cè)試驗(yàn)研究，同忻煤礦8202工作面1號(hào)孔隨鉆電磁波層析成像超前探測(cè)結(jié)果如圖8所示，隨鉆探測(cè)深度54m，0 m～19 m左右周?chē)悬c(diǎn)低阻體異常，經(jīng)查實(shí)鉆孔孔口外面有一潭積水，因此判定分析此異常應(yīng)是鉆孔孔口積水所引起。19 m～48 m為高阻區(qū)，判定本鉆孔段的鉆孔周?chē)鷽](méi)有含水體存在。鉆孔50 m～52 m段的鉆孔半徑20 m處出現(xiàn)小低阻異常信號(hào)，分析應(yīng)是有局部的有水信息，后落實(shí)鉆孔前端會(huì)存在是砂巖裂隙水，證明探測(cè)結(jié)果與地質(zhì)實(shí)際情況相吻合。

圖8 1號(hào)孔隨鉆電磁波層析成像超前探測(cè)結(jié)果圖

同忻煤礦8202工作面2號(hào)孔隨鉆電磁波層析成像超前探測(cè)結(jié)果如圖9所示，1號(hào)孔與2號(hào)孔兩孔孔口開(kāi)孔距離相差0.2 m，兩孔夾角為30°。隨鉆探測(cè)深度54 m，0 m～14 m左右周?chē)悬c(diǎn)低阻體異常，經(jīng)查實(shí)鉆孔孔口外面有一潭積水，因此判定分析此異常應(yīng)是鉆孔孔口積水所引起。19 m～48 m為高阻區(qū)，判定本鉆孔段的鉆孔周?chē)鷽](méi)有含水體存在。鉆孔46 m～50 m段的鉆孔半徑18 m處出現(xiàn)略低的低阻異常信號(hào)，說(shuō)明可能有局部的弱含水信息，這可能是遠(yuǎn)處有不明顯的砂巖裂隙水，從1號(hào)孔分析，由于2號(hào)孔更遠(yuǎn)離1號(hào)孔50 m處的砂巖裂隙水，因此，此鉆孔段的探測(cè)信號(hào)比1號(hào)孔弱，這說(shuō)明證明探測(cè)結(jié)果與地質(zhì)實(shí)際情況較為吻合。

圖9 2號(hào)孔隨鉆電磁波層析成像超前探測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié)論

該隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探水設(shè)備在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了成功應(yīng)用，對(duì)微弱信號(hào)能夠很好地識(shí)別和處理，水害得到了有效控制，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為巷道掘進(jìn)前方防治水害具有重要意義，可以很好地解決煤礦巷道掘進(jìn)超前探測(cè)問(wèn)題。