随钻钻孔电磁波层析成像超前探水设备的研发与应用

2021-09-03臧欢欢

同煤科技 2021年4期

臧欢欢

（晋能控股集团山西科学技术研究院有限公司（大同）技术中心山西大同037003）

0 引言

针对目前煤矿掘进超前物探均受巷道或工作面内的掘进机、底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等金属设施影响较大，探测结果准确率低，同时，现场施工、数据观测及成果分析较为复杂，且探测参数单一，排除多解性能力差，钻探法施工复杂且成本高的特点，研发了随钻钻孔电磁波层析成像超前探测设备[1]。

1 频率域电磁测深的原理

随钻钻孔电磁波层析成像探测是利用电磁感应的趋肤效应（δ）来实现钻孔周围不同半径的探测，钻孔周围的岩石介质的电阻率与电磁激发频率有密切关系，当地下介质的电阻率值一定时，选用不同的频率便可达到不同的勘探半径，高频电磁波衰减快，穿透深度小，只反映钻孔附近岩层的地电断面的特点；低频电磁波衰减慢，穿透深度大，便可反映钻孔较大半径岩层的地质特点[2]。

随钻钻孔电磁波层析成像探测采用电磁偶极剖面法装置，该装置的特点是装置轻便、类型多样、使用灵活、工作效率较高，可选择与地质体有较强耦合关系的发射方式来提高方法的探测能力[3]。根据钻孔探测的特性，设计电磁波发射接收线频带为100 kHz～2 kHz，采用2的倍数关系从高频向低频逐频扫描发射接收。由于随钻探测探头发射与接收线圈的相距较小，约0.8 m，全频率段电磁波的探测距离落在电磁场的过渡场区与近场区之间，其中主要落在电磁场的近场区域进行钻孔周围围岩的探测，随钻钻孔电磁波层析成像探测偶极装置示意图如图1所示。

图1 随钻钻孔电磁波层析成像探测偶极装置示意图

2 随钻钻孔电磁层析成像自动探测设备的研究

矿用本安型随钻钻孔电磁成像探水仪主要包括随钻电磁发射接收探头、仪器主机和探测钻杆。整套仪器如图2所示。

图2 探测仪主机

随钻探测探头采集铍铜材料，其加工后没有余磁特性对三维罗盘进行钻孔轨迹测量没有任何干扰，且强度高、耐磨性好。探头外形结构如图3所示，探测探头与随钻钻杆安装结构如图4所示。由于探测探头直径较小，为保证发射的电磁信号与接收的电磁信号能有效穿透，其电磁发射接收的透电磁波窗采用航空级工程PE塑料管。为了保证探测探头有很好的抗震性能，在探测探头的两端研制了减震效果好并能保证一定强度的尼龙隔震器；同时为保证探测探头与随钻钻杆之间有很好的过水通道，这样其隔震器采用三角形状，与钻杆只有三个接触点，确保探测探头在钻杆中是居中和起到隔震作用。同时，所有电路板都用密封硅胶材料进行灌封，提高探测电路的抗震性能和防水效果。

图3 随钻探测探头

图4 探头与随钻钻杆安装结构图

随钻钻杆在安装探测探头的二个电磁波透射窗部位开两个对称的电磁波透射窗槽（共四个电磁波透射窗槽），为确保发射接收的电磁信号具有方向性，则对称的电磁波透射窗槽必须与探测探头的透射窗对应。

随钻探测探头的电路采用高度集成化和模块化方案，将发射电路、接收电路、发射线圈、接收线圈、三维电子软盘及中央控制系统集成在宽25 mm、长450 mm的电路板上，采用极低功耗、军工级的电子器件。采用钻杆旋转和长时间停钻时对电路采取休眠状态，这样可以大大提高探测探头一次充电情况下的工作时间。随钻钻孔电磁层析成像自动探测主机部分的结构如图5所示，随钻钻孔电磁层析成像自动探测探头结构如图6所示，随钻钻孔电磁层析成像自动探测钻杆结构如图7所示。

图5 随钻钻孔电磁层析成像自动探测主机部分的结构图

图6 随钻钻孔电磁层析成像自动探测探头结构图

图7 随钻钻孔电磁层析成像自动探测钻杆结构图

随钻钻孔电磁波层析成像超前探水设备主要技术指标如下：

①随钻钻孔探测深度：50 m～300 m；

②探测钻孔周围围岩半径：0 m～30 m；

③探头适用钻杆：50 mm～70 mm；

④探头的电池工作时间：大于30 h；

⑤自动分析探测数据：80%；

⑥防爆标志：ExibI。

3 现场实测

在晋能控股煤业集团同忻矿进行了随钻电磁波探测试验研究，同忻煤矿8202工作面1号孔随钻电磁波层析成像超前探测结果如图8所示，随钻探测深度54m，0 m～19 m左右周围有点低阻体异常，经查实钻孔孔口外面有一潭积水，因此判定分析此异常应是钻孔孔口积水所引起。19 m～48 m为高阻区，判定本钻孔段的钻孔周围没有含水体存在。钻孔50 m～52 m段的钻孔半径20 m处出现小低阻异常信号，分析应是有局部的有水信息，后落实钻孔前端会存在是砂岩裂隙水，证明探测结果与地质实际情况相吻合。

图8 1号孔随钻电磁波层析成像超前探测结果图

同忻煤矿8202工作面2号孔随钻电磁波层析成像超前探测结果如图9所示，1号孔与2号孔两孔孔口开孔距离相差0.2 m，两孔夹角为30°。随钻探测深度54 m，0 m～14 m左右周围有点低阻体异常，经查实钻孔孔口外面有一潭积水，因此判定分析此异常应是钻孔孔口积水所引起。19 m～48 m为高阻区，判定本钻孔段的钻孔周围没有含水体存在。钻孔46 m～50 m段的钻孔半径18 m处出现略低的低阻异常信号，说明可能有局部的弱含水信息，这可能是远处有不明显的砂岩裂隙水，从1号孔分析，由于2号孔更远离1号孔50 m处的砂岩裂隙水，因此，此钻孔段的探测信号比1号孔弱，这说明证明探测结果与地质实际情况较为吻合。