礦井鉆孔電磁波透視技術開發與測試

房 哲 劉 磊 趙 兆 張仲禮

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

目前井下超前探測方法都是基于在井下巷道中激勵和采集信號，無可避免地受到巷道內施工設備、電氣設備、金屬支護等各種設施的干擾，從而影響采集數據的質量，同時探測距離也受到巷道空間條件的限制。如果能有效利用井下已有的超前探放水鉆孔，進行鉆孔間電磁波透視，從而獲得孔間范圍內的地質構造，不僅減小巷道干擾，而且能夠實現沿鉆孔方向的長距離探測。

孔間電磁法研究最早始于20 世紀20 年代，由蘇聯學者A.Д.佩特羅夫斯基最早提出[1]。我國在1959 年開始進行電磁波的相關研究與應用，在1974 年，開始在煤礦領域主要開展煤礦井下坑透技術相關的儀器研制、成像理論研究及工作面探測推廣試驗。21 世紀以來，我國孔間電磁波技術在煤礦領域方面的研究主要集中在對無線電波透視層析成像處理方法、煤礦地質構造探查應用、坑道透視裝置等方面。在處理方法研究方面：如2010 年，吳榮新等提出了工作面實測場強值層析成像方法，優化了層析成像處理方法，有效提高了坑透數據解釋效果[2]。在煤礦地質構造探查應用方面：2017年，梁慶華等對礦井瓦斯富集區無線電波透視曲線特征進行研究，提出了瓦斯突出危險區劃分方法[3]。在坑道透視裝置方面：2010 年，肖玉林等人提出了“一發雙收”回采工作面探測方式，有效降低了現場施工強度，減少了對礦井生產的影響時間[4]。綜上所述，前人研究多集中在坑道無線電波透視技術，而對井下鉆孔間電磁波透視技術研究較少提及。本文通過對鉆孔孔間電磁波透視原理、儀器組成及施工工藝的介紹，結合野外測試數據，來驗證煤礦井下鉆孔孔間電磁波透視技術在超前探測中的可行性。

1 礦井鉆孔電磁波透視原理

礦井鉆孔電磁波透視（以下簡稱鉆孔透視）是根據電磁波穿越井下巷道之間、鉆孔之間的煤層途徑中，利用煤層中存在的地質構造對電磁波傳播的影響形成的透視異常，從而對鉆孔間、巷道間煤層進行地質構造探查。

假設輻射源(天線軸)中點O 為原點，在近似均勻、各項同性煤層中，觀測點P 到O點的距離為r，P 點的電磁波場強度H 由下式（1）表示：

式中：H0決定于發射功率和天線周圍煤層的初始場強；β 為煤層對電磁波的吸收系數；r 是P 點到O點的直線距離(m)；θ 是偶極子軸與觀測點方向的夾角。

當鉆孔孔間煤層中存在地質異常構造（陷落柱、斷層等）時，會引起吸收系數β 的變化，因此可以通過測量接收場強值來推算出鉆孔之間超前區域的β 分布情況和介質分布情況，進而對孔間超前區域地質構造情況做出判斷。

2 礦井鉆孔電磁波透視儀器組成及工作方式

2.1 儀器系統組成

根據鉆孔透視的基本原理，本文研制了礦用鉆孔電磁波透視儀器（以下簡稱鉆孔透視儀），該儀器主要由孔中發射探管、孔中接收探管和孔外控制裝置等組成。如圖1 所示。

圖1 鉆孔電磁波透視儀器系統組成框圖

鉆孔透視儀主要目的是實現兩孔之間的特定頻率的電磁波發射和接收功能。因此孔中收發天線的性能是儀器研制的關鍵。該儀器采用高品質孔中收發天線技術，結合高精度信號合成技術和高精度微弱信號處理技術，主要工作頻率為300KHz。實現了孔中電磁波信號高穩定度發射和高靈敏度提取。系統各部分防爆類型均為本安型，符合井下施工要求。

2.2 系統工作方式

對基于井下超前探放水鉆孔的孔間透視而言，由于鉆孔空間狹小，孔中接收探頭的推送較為困難，無法頻繁移動位置，因此選擇“一對一”的工作方式，即一個發射點對應一個接收點。

3 礦井鉆孔電磁波透視儀器透視距離測試

在某試驗鉆場進行測試試驗，鉆孔位置如圖2 所示。

3.1 鉆孔透視儀器孔間透視能力測試

在1# 鉆孔內分別在距離孔口位置20m、25m、30m 處發射300KHz電磁波信號，2#鉆孔接收信號，為避免孔外信號干擾，只測量20m-40m范圍接收信號，相鄰兩接收點間距為2m。接收信號曲線如圖3 所示。

圖2 鉆孔位置及測試方式示意圖

從圖3 中曲線變化可以看到：由于孔中不同位置巖層介電參數有所差異，接收曲線在20m和25m 發射時信號接收能量有所變化，但曲線趨勢基本一致，整體隨接收距離的增大呈下降趨勢。30m發射時，接收曲線明顯呈現出中間高兩邊低的特征。相較于25m處和30m 處發射點，在20m 處發射時，信號在40m 左右接收處能量更接近背景噪聲。因此可以總結出，接收信號能量變化整體符合隨收發距離增大而減小的規律。孔中透視儀器發射的300KHz電磁波信號可以有效穿透35m厚的砂巖層，孔中接收儀器沿射線方向最遠接收范圍可達到40m。也間接證明了孔間透視儀器能夠有效透視35-40m厚度的煤層。

4 結論

4.1 井下鉆孔電磁波透視技術是以無線電波透視原理為理論依據，利用煤礦井下掘進工作面已有的施工鉆孔，進行鉆孔孔間范圍內的地質異常體探查。該技術具有受巷道電磁干擾小，距探測目標近，探測范圍不受巷道空間制約等優點。

4.2 井下鉆孔電磁波透視儀器主要由孔中發射探管、孔中接收探管和孔外控制裝置等組成。儀器各組成部分都屬于防爆儀器，采用“一發一收”定點施工方式進行測量。

4.3 通過地面鉆孔孔間測試，儀器功能穩定，能夠實現孔間透視功能，在300KHz 頻率時能夠對35m-40m 間距的孔間煤層進行有效透視，下一步還需要通過井下試驗進一步驗證儀器的功能及適用性。