一种矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测装置及方法

摘要

本发明公开了一种矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测装置，它的中央处理器和瞬变电磁发射模块的总线通信端均接入系统总线，瞬变电磁发射模块的信号输出端与待测钻孔外的瞬变电磁发射线圈连接，电磁信号接收模块的信号输入端连接三维磁场传感器和一维Z向电场传感器的信号输出端，电磁信号接收模块的信号输出端连接单片机的电磁信号输入端，第一存储器的通信端连接单片机的数据存储端，三维电子罗盘的通信端连接单片机的罗盘信号通信端，单片机的主机数据通信依次通过第一光缆口和光纤电缆连接现场主机的第二光缆口；本发明可探测钻孔周围的富水体和导水通道等有害地质体并进行精细有效的探测预报。

说明书

技术领域

本发明涉及地球物理学电磁法探测技术领域，具体地指一种矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测装置及方法。

背景技术

矿井巷道掘进是煤层开采的一个重要环节，在掘进过程中，必须预先评估掘进工作面前方的地质条件，才能确保巷道的快速、安全掘进。水文地质条件是其中的一个重要方面，通常，在巷道掘进前方可能存在的含导水类型有：断层破碎带含导水、陷落柱导水、采空区积水，以及岩溶富水区等。针对此类不良地质因素的探查，常用的手段为钻孔探测(简称“钻探”)和地球物理探测(简称“物探”)。由于钻探方法成本高、耗时长，且钻探结果为一孔之见，探查范围极为有限；此外，施工钻孔易成为隐伏含水体进入巷道的人为通道，从而引发次生事故，故仅采用钻探手段难以满足实际生产的需要。地球物理探测因成本低、快速、探查范围大、距离远等优点，现己在井下探水中得到广泛应用。在矿井地球物理方法的应用中，虽然种类较多，如矿井地震反射波法、矿井直流电法、矿井电磁法(瞬变电磁法和无线电波坑透)、瑞雷面波法、地质雷达、放射性测量和红外测温等方法技术，但因各种方法自身的敏感特性和巷道掘进空间的限制，多数方法难以在掘进工作面得到应用。

参考文献：《电磁测深法原理》1990年、地质出版社，朴化荣著；《时间域电磁法原理》2007年中南大学出版，牛之琏编著；于景郁，矿一井瞬变电磁理论及技术研究[D].徐州:中国矿业大学，2001；刘志新，矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[D]，徐州；中国矿业大学，姜志海，巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D]，徐州，中国矿业大学，2008；谭代明，地下全空问瞬变电磁响应的研究[J]，物探与化探，2009,33(4):436-439。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种三维定向瞬变电磁超前探测装置及方法，通过该装置和方法，可对掘进隧道、巷道迎头及工作面正在钻进的钻孔进行探测，可以探测钻孔周围0～50米范围内的富水体和导水通道等有害地质体并进行精细有效的探测预报。

为实现此目的，本发明所设计的一种矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测装置，其特征在于：现场主机、探头、光纤电缆、电磁发射线圈，设置在探头内的三维磁场传感器、一维Z向电场传感器、电磁信号接收模块、单片机、第一光缆口、第一存储器、三维电子罗盘，所述主机包括中央处理器、系统总线和瞬变电磁发射模块，中央处理器和瞬变电磁发射模块的总线通信端均接入系统总线，瞬变电磁发射模块的信号输出端与待测钻孔外的瞬变电磁发射线圈连接，电磁信号接收模块的信号输入端连接三维磁场传感器和一维Z向电场传感器的信号输出端，电磁信号接收模块的信号输出端连接单片机的电磁信号输入端，第一存储器的通信端连接单片机的数据存储端，三维电子罗盘的通信端连接单片机的罗盘信号通信端，单片机的主机数据通信依次通过第一光缆口和光纤电缆连接现场主机的第二光缆口；

所述瞬变电磁发射线圈用于在瞬变电磁发射模块和中央处理器的控制下向在待测钻孔发射脉冲瞬变电磁信号，所述探头的一维Z向电场传感器用于接收瞬变电磁发射线圈发射的脉冲瞬变电磁信号中的电磁直达信号和待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号，所述三维磁场传感器用于接收待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号，三维电子罗盘用于测量探头在待测钻孔内的轨迹数据；

所述单片机用于将接收到的所述电磁直达信号、待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号、待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号进行数字化处理，得到电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号，并将该电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号与三维电子罗盘得到的探头在待测钻孔内的探头轨迹数据一起保存在第一存储器中；

所述中央处理器用于根据上述电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号的数字化信号和探头在待测钻孔内的轨迹数据生成对应的三维二次磁场与Z向二次电场成像图以及钻孔轨迹图。

一种利用上述装置的矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将电磁发射线圈置于巷道壁的待测钻孔孔口平面，使电磁发射线圈平面与待测钻孔垂直，并使待测钻孔的轴线与电磁发射线圈的轴线重合，将探头置于待测钻孔孔口；

步骤2：中央处理器控制瞬变电磁发射模块通过瞬变电磁发射线圈向在待测钻孔发射脉冲瞬变电磁信号；

步骤3：所述探头的一维Z向电场传感器接收瞬变电磁发射线圈发射的脉冲瞬变电磁信号中的电磁直达信号和待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号，所述三维磁场传感器接收待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号，三维电子罗盘测量探头在待测钻孔内的轨迹数据；

步骤4：单片机将接收到的所述电磁直达信号、待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号、待测钻孔周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号进行数字化处理，得到电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号，并将该电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号与三维电子罗盘得到的探头在待测钻孔内的探头轨迹数据一起保存在第一存储器中；

步骤5：将探头由待测钻孔孔口向孔底逐步推进，并利用步骤2～步骤4所述的待测钻孔超前探测方法对待测钻孔进行逐点扫描探测，即在每个预设的探测点进行探测，得到待测钻孔孔口至孔底每个预设探测点的电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号和探头轨迹数据，单片机通过待测钻孔孔口至孔底每个预设探测点的电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号和探头轨迹数据，得到待测钻孔孔口至孔底每个预设探测点的电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号和探头轨迹数据。

应用本发明可以实现对隧道、巷道掘进的钻孔进行超前探测预报。相比于现有的超前预报设备和方法，本发明的有益效果主要表现在：

(1)采用本发明，克服了钻探往往只是“一孔之见”，难于判断钻孔周围情况问题。通过钻孔三维瞬变电磁法探查钻孔周围高、低阻体分布，从而区分钻孔周围岩体岩性，掌握钻孔周边地质情况。同时煤矿井下存在大量的瓦斯抽放钻孔和水文钻孔，为研究提供了场所和条件，提高了钻孔利用率。

(2)采用本发明，实现钻孔内三维定向瞬变电磁探测，探测数据量多，同时又在钻孔内避开井下人为的强干扰背景(由于钻孔周围围岩单一，没有掘进机、底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施)，提高微弱信号的识别和处理能力，这样可确保探测结果准确可靠，为指导巷道掘进提供更科学的依据。

(3)采用本发明，可以实现现场主机探测时实时显示探测结果，自动分析成图并进行预报，无需复杂的人工数据分析和处理阶段；能为地质探测人员快速给出可靠的分析预报资料。因此，本发明的装置具备可操作性、有效性和实用性等优点。

本发明实现巷道钻孔超前探测，利用巷道超前(在巷道掘进面的前方进行钻孔，相对掘进面，钻孔向前方钻进)的钻孔进行物探，对钻孔周围半径0～50米范围内进行精细扫描近距离探测，是钻探和物探有机的结合，这样既可提高物探的探测精度又可减少钻探的钻孔数量，做到掘进巷道超前精准探测。

附图说明

图1为本发明结构部分的使用状态示意图；

图2为本发明中现场主机部分的结构框图；

图3为本发明中探头的结构框图；

图4为本发明中发射线圈的结构示意图；

图5为本发明中三维磁场传感器的示意图。

其中，1—现场主机、1.1—中央处理器、1.2—第二存储器、1.3—人机交互设备、1.4—电池、1.5—系统总线、1.6—第二光缆口、1.7—瞬变电磁发射模块、2—探头、2.1—三维磁场传感器、2.1.1—X轴磁场传感器、2.1.2—Y轴磁场传感器、2.1.3—Z轴磁场传感器、2.2—一维Z向电场传感器、2.3—电磁信号接收模块、2.4—单片机、2.5—第一光缆口、2.6—第一存储器、2.7—三维电子罗盘、3—光纤电缆、4—推杆、5—待测钻孔、6—电磁发射线圈、6.1—电缆、6.2—发射线圈接口、7—巷道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1～5所示所述的矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测装置，现场主机1(设置在巷道7内)、探头2、光纤电缆3、电磁发射线圈6，设置在探头2内的三维磁场传感器2.1、一维Z向电场传感器2.2、电磁信号接收模块2.3、单片机2.4、第一光缆口2.5、第一存储器2.6、三维电子罗盘2.7，所述主机1包括中央处理器1.1、系统总线1.5和瞬变电磁发射模块1.7，中央处理器1.1和瞬变电磁发射模块1.7的总线通信端均接入系统总线1.5，瞬变电磁发射模块1.7的信号输出端与待测钻孔5外的瞬变电磁发射线圈6连接，电磁信号接收模块2.3的信号输入端连接三维磁场传感器2.1和一维Z向电场传感器2.2的信号输出端，电磁信号接收模块2.3的信号输出端连接单片机2.4的电磁信号输入端，第一存储器2.6的通信端连接单片机2.4的数据存储端，三维电子罗盘2.7的通信端连接单片机2.4的罗盘信号通信端，单片机2.4的主机数据通信依次通过第一光缆口2.5和光纤电缆3连接现场主机1的第二光缆口1.6；

所述瞬变电磁发射线圈6用于在瞬变电磁发射模块1.7和中央处理器1.1的控制下向在待测钻孔5发射脉冲瞬变电磁信号，所述探头2的一维Z向电场传感器2.2用于接收瞬变电磁发射线圈6发射的脉冲瞬变电磁信号中的电磁直达信号和待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号，所述三维磁场传感器2.1用于接收待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号，三维电子罗盘2.7用于测量探头2在待测钻孔5内的轨迹数据；

所述单片机2.4用于将接收到的所述电磁直达信号、待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号、待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号进行数字化处理，得到电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号，并将该电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号与三维电子罗盘2.7得到的探头2在待测钻孔5内的探头轨迹数据一起保存在第一存储器2.6中；

所述中央处理器1.1用于根据上述电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号的数字化信号和探头2在待测钻孔5内的轨迹数据生成对应的三维二次磁场与Z向二次电场成像图以及钻孔轨迹图。

上述技术方案中，根据三维磁场数据可以判定分析目标体的方位，这就起到定位作用，由于钻孔孔径较好，无法布置X、Y方向的电极，因此就只能布置一个Z轴方向的电场传感器，用磁场和电场同时测量分析有利于对目标体分析更加准确，相当于多参数进行探测分析。

上述技术方案中，电池1.4分别向现场主机1中的各个设备供电。

上述技术方案中，所述中央处理器1.1还包括第二存储器1.2和人机交互设备1.3，第二存储器1.2和人机交互设备1.3均接入系统总线1.5。上述人机交互设备1.3包括触摸屏、显示屏、USB接口和光电旋钮。

上述技术方案中，所述探头2的壳体由直径40mm的聚氯乙烯塑料管用塑料封堵成型(金属材料可以有附加的磁场，对三维磁传感器有影响，同时金属材料因导电因素，它对电场也有影响因素)，所述三维磁场传感器2.1的三维方向与三维电子罗盘2.7方向一致(观测电场要有一定的距离，距离太大造成探头太大，不方便；距离太小，会使观测灵敏度降低。因此，合理择中选择)。Z向电场传感器2.2由二个彼此绝缘的铜环组成，其相距0.5～1.0米左右嵌在塑料管外，露出2～3毫米(露出外面一点是为了使电极能跟钻孔孔壁接触，若露出太多，易造成卡孔，使用不方便)。

上述技术方案中，所述三维磁场传感器2.1由X轴磁场传感器2.1.1、Y轴磁场传感器2.1.2、Z轴磁场传感器2.1.3的三个磁场传感器组成，分别用于接收X、Y、Z三个方向的磁场强度。

上述技术方案中，所述电磁发射线圈6由多匝电缆6.1和发射线圈接口6.2组成，电磁发射线圈6为缠绕成方框或圆圈形状，方框形状的边长为1.5～3米，圆圈形状的直径为2～3米(因煤矿巷道一般只有3～5米宽，太大无法使用，太小对探测时的发射功率无法提高。因此合理使用，选择这个范围)。

一种利用上述装置的矿用钻孔三维定向瞬变电磁超前探测方法，它包括如下步骤：

步骤1：将电磁发射线圈6置于巷道7壁的待测钻孔5孔口平面，使电磁发射线圈6平面与待测钻孔5垂直，并使待测钻孔5的轴线与电磁发射线圈6的轴线重合，将探头2置于待测钻孔5孔口；

步骤2：中央处理器1.1控制瞬变电磁发射模块1.7通过瞬变电磁发射线圈6向在待测钻孔5发射脉冲瞬变电磁信号；

步骤3：所述探头2的一维Z向电场传感器2.2接收瞬变电磁发射线圈6发射的脉冲瞬变电磁信号中的电磁直达信号和待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号，所述三维磁场传感器2.1接收待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号，三维电子罗盘2.7测量探头2在待测钻孔5内的轨迹数据；

步骤4：单片机2.4将接收到的所述电磁直达信号、待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的Z向二次电场信号、待测钻孔5周围岩体被脉冲瞬变电磁信号激励的三维二次磁场信号进行数字化处理，得到电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号，并将该电磁直达信号、Z向二次电场信号和三维二次磁场信号的数字化信号与三维电子罗盘2.7得到的探头2在待测钻孔5内的探头轨迹数据一起保存在第一存储器2.6中；

步骤5：利用推杆4将探头2由待测钻孔5孔口向孔底逐步推进，并利用步骤2～步骤4所述的待测钻孔5超前探测方法对待测钻孔5进行逐点扫描探测，即在每个预设的探测点进行探测，得到待测钻孔5孔口至孔底每个预设探测点的电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号和探头轨迹数据，单片机2.4通过待测钻孔5孔口至孔底每个预设探测点的电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号和探头轨迹数据，得到待测钻孔5孔口至孔底每个预设探测点的电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号和探头轨迹数据；

步骤6：所述中央处理器1.1根据上述电磁直达信号、Z向二次电场信号、三维二次磁场信号的数字化信号和探头2在待测钻孔5内的轨迹数据生成对应的三维二次磁场与Z向二次电场成像图以及钻孔轨迹图；

其中：M_ij—计算的归一的二次磁场的某一方向的某一点的磁场信号；

M_0ij—检测的直达的一次磁场的某一方向的某一点的磁场信号；

M_1ij—检测的被激励的二次磁场的某一方向的某一点的磁场信号；

E_zj—计算的归一的二次电场的Z方向的某一点的电场信号；

E_0j—检测的直达的一次电场的Z方向的某一点的电场信号；

E_1j—检测的被激励的二次电场的Z方向的某一点的电场信号；

i—x、y、z方向

j—1、2、3、.........n测点数。

每一个测量点的数据都测试了直达的场信号(一次场)和被告直达的场激励出来的场信号(二次场)，再用二次场除以二次场所得出当点测试信号，相当于归一化。

每一个测点共四个测试数据(X、Y、Z三个磁场数据和Z一个电场数据)，每一个钻孔在不同的深度进行测试一次，形成了若干个点测试，这样就可以生成整个钻孔的不同测点组成四个数据图(测点—数值图)

步骤7：中央处理器1.1根据步骤6中得到的三维二次磁场与Z向二次电场成像图，再结合钻孔轨迹图，将三维磁场瞬变探测图和一维Z向电场探测图中所有的数据变化大于三倍以上所有的数据均方差的数据定为异常体产生的异常数据，由于低阻体(相对钻孔周围岩体的电阻率，一般含水体的电阻率比钻孔周围岩体的低)容易产生较大的磁场信号和电场信号根据异常体产生的异常数据分析判定待测钻孔5周围岩体是否有低阻体存在，然后含水体的电阻较低(按上述方案观测数据的值大于3倍均方差就算低阻体)，这样就可以根据异常数据分析判断待测钻孔5周围岩体是否存在含水体，如果存在含水体，继续得到含水体的具体位置，依此做出预报，实现待测钻孔5的超前探测及预报。

上述技术方案的步骤7中，如果确定出待测钻孔5周围岩体存在含水体，现场主机1根据步骤6中得到的待测钻孔5的整个待测钻孔5深度的三维磁场数据图和待测钻孔5轨迹图，利用三维磁场大小和方向(正负)值判定分析含水体在待测钻孔5三维体中的哪一个方向，实现三维定向。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。