矿井钻孔电磁波透视技术开发与测试

2020-08-11张仲礼

科学技术创新 2020年20期

房哲刘磊赵兆张仲礼

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

目前井下超前探测方法都是基于在井下巷道中激励和采集信号，无可避免地受到巷道内施工设备、电气设备、金属支护等各种设施的干扰，从而影响采集数据的质量，同时探测距离也受到巷道空间条件的限制。如果能有效利用井下已有的超前探放水钻孔，进行钻孔间电磁波透视，从而获得孔间范围内的地质构造，不仅减小巷道干扰，而且能够实现沿钻孔方向的长距离探测。

孔间电磁法研究最早始于20 世纪20 年代，由苏联学者A.Д.佩特罗夫斯基最早提出[1]。我国在1959 年开始进行电磁波的相关研究与应用，在1974 年，开始在煤矿领域主要开展煤矿井下坑透技术相关的仪器研制、成像理论研究及工作面探测推广试验。21 世纪以来，我国孔间电磁波技术在煤矿领域方面的研究主要集中在对无线电波透视层析成像处理方法、煤矿地质构造探查应用、坑道透视装置等方面。在处理方法研究方面：如2010 年，吴荣新等提出了工作面实测场强值层析成像方法，优化了层析成像处理方法，有效提高了坑透数据解释效果[2]。在煤矿地质构造探查应用方面：2017年，梁庆华等对矿井瓦斯富集区无线电波透视曲线特征进行研究，提出了瓦斯突出危险区划分方法[3]。在坑道透视装置方面：2010 年，肖玉林等人提出了“一发双收”回采工作面探测方式，有效降低了现场施工强度，减少了对矿井生产的影响时间[4]。综上所述，前人研究多集中在坑道无线电波透视技术，而对井下钻孔间电磁波透视技术研究较少提及。本文通过对钻孔孔间电磁波透视原理、仪器组成及施工工艺的介绍，结合野外测试数据，来验证煤矿井下钻孔孔间电磁波透视技术在超前探测中的可行性。

1 矿井钻孔电磁波透视原理

矿井钻孔电磁波透视（以下简称钻孔透视）是根据电磁波穿越井下巷道之间、钻孔之间的煤层途径中，利用煤层中存在的地质构造对电磁波传播的影响形成的透视异常，从而对钻孔间、巷道间煤层进行地质构造探查。

假设辐射源(天线轴)中点O 为原点，在近似均匀、各项同性煤层中，观测点P 到O点的距离为r，P 点的电磁波场强度H 由下式（1）表示：

式中：H0决定于发射功率和天线周围煤层的初始场强；β 为煤层对电磁波的吸收系数；r 是P 点到O点的直线距离(m)；θ 是偶极子轴与观测点方向的夹角。

当钻孔孔间煤层中存在地质异常构造（陷落柱、断层等）时，会引起吸收系数β 的变化，因此可以通过测量接收场强值来推算出钻孔之间超前区域的β 分布情况和介质分布情况，进而对孔间超前区域地质构造情况做出判断。

2 矿井钻孔电磁波透视仪器组成及工作方式

2.1 仪器系统组成

根据钻孔透视的基本原理，本文研制了矿用钻孔电磁波透视仪器（以下简称钻孔透视仪），该仪器主要由孔中发射探管、孔中接收探管和孔外控制装置等组成。如图1 所示。

图1 钻孔电磁波透视仪器系统组成框图

钻孔透视仪主要目的是实现两孔之间的特定频率的电磁波发射和接收功能。因此孔中收发天线的性能是仪器研制的关键。该仪器采用高品质孔中收发天线技术，结合高精度信号合成技术和高精度微弱信号处理技术，主要工作频率为300KHz。实现了孔中电磁波信号高稳定度发射和高灵敏度提取。系统各部分防爆类型均为本安型，符合井下施工要求。

2.2 系统工作方式

对基于井下超前探放水钻孔的孔间透视而言，由于钻孔空间狭小，孔中接收探头的推送较为困难，无法频繁移动位置，因此选择“一对一”的工作方式，即一个发射点对应一个接收点。

3 矿井钻孔电磁波透视仪器透视距离测试

在某试验钻场进行测试试验，钻孔位置如图2 所示。

3.1 钻孔透视仪器孔间透视能力测试

在1# 钻孔内分别在距离孔口位置20m、25m、30m 处发射300KHz电磁波信号，2#钻孔接收信号，为避免孔外信号干扰，只测量20m-40m范围接收信号，相邻两接收点间距为2m。接收信号曲线如图3 所示。

图2 钻孔位置及测试方式示意图

从图3 中曲线变化可以看到：由于孔中不同位置岩层介电参数有所差异，接收曲线在20m和25m 发射时信号接收能量有所变化，但曲线趋势基本一致，整体随接收距离的增大呈下降趋势。30m发射时，接收曲线明显呈现出中间高两边低的特征。相较于25m处和30m 处发射点，在20m 处发射时，信号在40m 左右接收处能量更接近背景噪声。因此可以总结出，接收信号能量变化整体符合随收发距离增大而减小的规律。孔中透视仪器发射的300KHz电磁波信号可以有效穿透35m厚的砂岩层，孔中接收仪器沿射线方向最远接收范围可达到40m。也间接证明了孔间透视仪器能够有效透视35-40m厚度的煤层。