隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探水設備的研發與應用

臧歡歡

（晉能控股集團山西科學技術研究院有限公司（大同）技術中心 山西大同037003）

0 引言

針對目前煤礦掘進超前物探均受巷道或工作面內的掘進機、底板的鐵軌、工字鋼支護、錨桿支護、運輸皮帶支架等金屬設施影響較大，探測結果準確率低，同時，現場施工、數據觀測及成果分析較為復雜，且探測參數單一，排除多解性能力差，鉆探法施工復雜且成本高的特點，研發了隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探測設備[1]。

1 頻率域電磁測深的原理

隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測是利用電磁感應的趨膚效應（δ）來實現鉆孔周圍不同半徑的探測，鉆孔周圍的巖石介質的電阻率與電磁激發頻率有密切關系，當地下介質的電阻率值一定時，選用不同的頻率便可達到不同的勘探半徑，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；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特點[2]。

隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測采用電磁偶極剖面法裝置，該裝置的特點是裝置輕便、類型多樣、使用靈活、工作效率較高，可選擇與地質體有較強耦合關系的發射方式來提高方法的探測能力[3]。根據鉆孔探測的特性，設計電磁波發射接收線頻帶為100 kHz～2 kHz，采用2的倍數關系從高頻向低頻逐頻掃描發射接收。由于隨鉆探測探頭發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距離落在電磁場的過渡場區與近場區之間，其中主要落在電磁場的近場區域進行鉆孔周圍圍巖的探測，隨鉆鉆孔電磁波層析成像探測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偶極裝置示意圖

2 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測設備的研究

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射接收探頭、儀器主機和探測鉆桿。整套儀器如圖2所示。

圖2 探測儀主機

隨鉆探測探頭采集鈹銅材料，其加工后沒有余磁特性對三維羅盤進行鉆孔軌跡測量沒有任何干擾，且強度高、耐磨性好。探頭外形結構如圖3所示，探測探頭與隨鉆鉆桿安裝結構如圖4所示。由于探測探頭直徑較小，為保證發射的電磁信號與接收的電磁信號能有效穿透，其電磁發射接收的透電磁波窗采用航空級工程PE塑料管。為了保證探測探頭有很好的抗震性能，在探測探頭的兩端研制了減震效果好并能保證一定強度的尼龍隔震器；同時為保證探測探頭與隨鉆鉆桿之間有很好的過水通道，這樣其隔震器采用三角形狀，與鉆桿只有三個接觸點，確保探測探頭在鉆桿中是居中和起到隔震作用。同時，所有電路板都用密封硅膠材料進行灌封，提高探測電路的抗震性能和防水效果。

圖3 隨鉆探測探頭

圖4 探頭與隨鉆鉆桿安裝結構圖

隨鉆鉆桿在安裝探測探頭的二個電磁波透射窗部位開兩個對稱的電磁波透射窗槽（共四個電磁波透射窗槽），為確保發射接收的電磁信號具有方向性，則對稱的電磁波透射窗槽必須與探測探頭的透射窗對應。

隨鉆探測探頭的電路采用高度集成化和模塊化方案，將發射電路、接收電路、發射線圈、接收線圈、三維電子軟盤及中央控制系統集成在寬25 mm、長450 mm的電路板上，采用極低功耗、軍工級的電子器件。采用鉆桿旋轉和長時間停鉆時對電路采取休眠狀態，這樣可以大大提高探測探頭一次充電情況下的工作時間。隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測主機部分的結構如圖5所示，隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測探頭結構如圖6所示，隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測鉆桿結構如圖7所示。

圖5 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測主機部分的結構圖

圖6 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測探頭結構圖

圖7 隨鉆鉆孔電磁層析成像自動探測鉆桿結構圖

隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探水設備主要技術指標如下：

①隨鉆鉆孔探測深度：50 m～300 m；

②探測鉆孔周圍圍巖半徑：0 m～30 m；

③探頭適用鉆桿：50 mm～70 mm；

④探頭的電池工作時間：大于30 h；

⑤自動分析探測數據：80%；

⑥防爆標志：ExibI。

3 現場實測

在晉能控股煤業集團同忻礦進行了隨鉆電磁波探測試驗研究，同忻煤礦8202工作面1號孔隨鉆電磁波層析成像超前探測結果如圖8所示，隨鉆探測深度54m，0 m～19 m左右周圍有點低阻體異常，經查實鉆孔孔口外面有一潭積水，因此判定分析此異常應是鉆孔孔口積水所引起。19 m～48 m為高阻區，判定本鉆孔段的鉆孔周圍沒有含水體存在。鉆孔50 m～52 m段的鉆孔半徑20 m處出現小低阻異常信號，分析應是有局部的有水信息，后落實鉆孔前端會存在是砂巖裂隙水，證明探測結果與地質實際情況相吻合。

圖8 1號孔隨鉆電磁波層析成像超前探測結果圖

同忻煤礦8202工作面2號孔隨鉆電磁波層析成像超前探測結果如圖9所示，1號孔與2號孔兩孔孔口開孔距離相差0.2 m，兩孔夾角為30°。隨鉆探測深度54 m，0 m～14 m左右周圍有點低阻體異常，經查實鉆孔孔口外面有一潭積水，因此判定分析此異常應是鉆孔孔口積水所引起。19 m～48 m為高阻區，判定本鉆孔段的鉆孔周圍沒有含水體存在。鉆孔46 m～50 m段的鉆孔半徑18 m處出現略低的低阻異常信號，說明可能有局部的弱含水信息，這可能是遠處有不明顯的砂巖裂隙水，從1號孔分析，由于2號孔更遠離1號孔50 m處的砂巖裂隙水，因此，此鉆孔段的探測信號比1號孔弱，這說明證明探測結果與地質實際情況較為吻合。

圖9 2號孔隨鉆電磁波層析成像超前探測結果圖

4 結論

該隨鉆鉆孔電磁波層析成像超前探水設備在晉能控股煤業集團進行了成功應用，對微弱信號能夠很好地識別和處理，水害得到了有效控制，經濟效益顯著，為巷道掘進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超前探測問題。