专利名称：无源巷/隧道超前探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于地球电磁变量的测量仪器技术领域,涉及一种利 用天然电磁波场源探测矿山巷/隧道掌子面前方一定距离内地下岩 性情况及地层结构的超前探测仪。
背景技术：
现有技术中，利用天然电磁波研制的DTY型地电探测仪在对地下 地质岩性结构的探测方面取得了良好的成效，该探测仪于1989年通 过煤炭科学研究总院技术鉴定，之后研发的SYT物性探测仪在1998 年又经过了煤炭科学研究总院组织的函审鉴定，并于2000年获得国 家煤炭工业局科技成果三等奖。2005年在《煤炭科学技术》杂志上 系统地介绍了该项技术最新成果 一 仪器在地面上探测一个物理点 的物性柱状和曲线基本相当于在地面钻一个钻孔后获得的岩性柱状 和电阻率曲线。但以上探测仪器和探测技术都是在地面上对地下煤层 进行探测，多年来在煤炭系统工作的工程技术人员一直希望能在矿井 井下掌子面对煤层厚度的变化进行超前探测，特别是我国南方地区有 广泛分布的鸡窝状煤层，由于煤层的厚度、面积等大多无规律可 循， 这种煤层给开采工作带来极大的困难，容易出现因矿山巷/隧道掌子 面前方地质情况不明而引起各种矿难及事故发生等情况,所以目前本 领域对井下巷/隧道煤层超前探测仪的需求更为迫切。
实用新型内容
本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一 种设计结构先进的无源巷/隧道超前探测仪，利用该探测仪可在煤田 矿井生产现场或隧道施工现场方便操作并准确探测出前方可能存在
的各种地质情况，减少因前方地质情况不明所引起的各种矿难的发生 或隧道施工中可能出现的各种事故。
用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的该无源巷/隧 道超前探测仪的仪器主机由探测传感器、信号采集器以及数据采集器 组成，所说的信号采集器包括两个相互并联设置的信号采集器，其中 的一个信号采集器由前置放大电路、带通滤波电路、50Hz陷波电路、 单一频率放大电路、A/D转换电路组成，另一个信号采集器由前置放 大电路、带通滤波电路、50Hz陷波电路、多道选频放大电路、A/D 转换电路组成，探测传感器的一路输出端信号依次经第一信号采集器 的前置放大电路、带通滤波电路、50Hz陷波电路、单一频率放大电 路、A/D转换电路接至数据采集器的输入端，探测传感器的另一路输 出端信号依次经第二信号采集器的前置放大电路、带通滤波电路、 50Hz陷波电路、多道选频放大电路、A/D转换电路接至数据采集器的 输入端。在上述设计方案中述及的探测传感器采用本实用新型设计者 1993年申报的国家专利技术产品 一 平行板电容传感器(专利名称 八方位侯风地震仪传感器，专利号ZL93212653.7),这种探测传感 器可使仪器准确监测到地质体受到地应力作用后产生的天然电磁波 异常具体来自哪个方位。
无源巷/隧道超前探测仪探测的场源和DTY型地电探测仪、SYT 型物性探测仪等一样接收的全是天然电磁波，不同的是DTY型地电探 测仪、SYT型物性探测仪接收的是天然电磁波场源中的天电部分，而
无源巷/隧道超前探测仪接收的则是天然电磁波场源中地电部分中 的二次场。
天然电磁波场源地电部分中的二次场是指地下不同电性层的地 质体在地磁脉动作用下所激发的辐射场，这部分辐射场辐射的电磁波 频谱、强度是受地层的物理化学特征等因素控制的。由于它的激发场
是地磁脉动，所以其频率变化范围基本与地磁脉动的频谱相同。它们
的强度很弱，大约是天电部分的1/3-1/4，其变化幅度根据我们多年 的观察记录大约在lpV土。地下电性层中物质的分子或原子在地磁脉 动作用下，激发的二次场对外是一种漫辐射的形式，在与巷道所在的 地层剖面垂直的平面(该平面距巷道掌子面为某一距离)上的某一点 位的任何分子、原子对外的漫反射，相对于巷道掌子面某一点来讲， 都基本可以找到与之对称的基本等效辐射量点位的分子、原子，这样
在巷道掌子面前探测时，就可以认为不同层位的分子不是漫反射，而 是向着某个方向的单一辐射。于是当仪器在掌子面前探测时，如果煤 层是水平的，那么煤层中的分子、原子的辐射量基本是相同的，不同 的是距离掌子面的距离不同，辐射量的衰减程度不同。当煤层有一定 倾角时，只要仪器的传感器法线方向与煤层厚度的中心线延伸方向一 致，其探测机理就同煤层是水平的一样；如果穿越煤层，物质成分发 生了变化，分子、原子的反射量也就发生了明显的变化。这样仪器接 收的数据经过软件程序处理后，就很容易识别煤层厚度(矿体)的变化 以及煤层前方有无小断层或破碎带等情况。
图1为本实用新型仪器主机部分的总体框图。 图2为图1中两个信号采集器的前置放大、带通滤波及50Hz陷 波电路部分的电路联接图。
图3为图1中多道选频放大电路部分的电路联接图。 图4为该仪器的探测施工示意图。 图5为小窑巷道超前探测成果图。
具体实施方式
参见附图，这种无源巷/隧道超前探测仪的机部件组成包括图4 所示的四部分可以调节巷道所在方位、仪器探测角度的三角支架
13;仪器主机14; 24伏直流电源15;笔记本计算机16。其中仪器主 机部分的原理结构如图1所示，它由探测传感器1、信号采集器以及
信号采集器7组成，所说的信号采集器包括两个相互并联设置的信号 采集器I、 II,内中的一个信号采集器I由前置放大电路2、带通滤 波电路3、 50Hz陷波电路4、单一频率放大电路5、 A/D转换电路6 组成，另一个信号采集器II由前置放大电路12、带通滤波电路ll、 50Hz陷波电路10、多道选频放大电路9、 A/D转换电路8组成，探测 传感器采用平行板电容传感器。各电路的工作联接方式为探测传感 器1的一路输出端信号依次经第一信号采集器I的前置放大电路2、 带通滤波电路3、 50Hz陷波电路4、单一频率放大电路5、 A/D转换 电路6接至数据采集器7的输入端，探测传感器1的另一路输出端信 号依次经第二信号采集器II的前置放大电路12、带通滤波电路11、 50Hz陷波电路10、多道选频放大电路9、 A/D转换电路8接至数据采 集器7的输入端。
本实用新型仪器主机中两个信号采集器I 、 II的各前置放大电路 2、 12、带通滤波电路3、 11以及50Hz陷波电路4、 10部分的电路联 接图如图2所示，图中运算放大器A,采用型号为LM358的器件，A5 采用型号为LM358的器件，而A2、 A3、 A4、 A6、 A7均采用型号为0P-07 的器件。
仪器主机内第二信号采集器II中的多道选频放大电路9的结构 如图3所示，它具有一只型号为0P-07的选频放大器，在0P-07的选
频放大器的2脚和6脚间联接有由多挡选频电阻Ri、 R2、 R3、 R4........
R，、电子选频开关K和定值电阻RA、 RB组成的双T网络负反馈电路, 各选频电阻R,、 R2、 R3、 R4........ R咖的阻值由公式
计算得出。
仪器主机内的两个A/D转换电路6、 8和数据采集器7均由中心 处理器CPU (型号为80cl96kc)的器件构成，单一频率放大电路由型 号为LM358和0P-07的器件组成的公知电路构成。
本实用新型的具体实施应用情况如图4所示。实际探测时，将该 仪器中承托主机14的三角支架13在巷/隧道掌子面17的前端支好， 通过上调角器18和下调角器19调好角度，使仪器的传感器与巷道掌 子面17平行，仪器的高度等于煤层厚度的二分之一。首先探测与煤 层平行的测线，然后向上、下调仪器的倾角， 一般在一个点位探测5 条测线即可。工作时，通过电子选频开关K来控制依次切换接通各选 频电阻R,、 R2、 R3、 R4 ......、 R,。。，这时笔记本计算机采集的电压值分
别代表探测前方lm、 2m、 3m、 4m、 ....... 100m地质体辐射过来的天
然电磁波量值的大小，然后再利用数理方程将这些电压值转化为地质 体的反射系数，结合已知地质资料，就可以解释出探测前方岩性厚度 (矿体)变化，岩层破碎带、小断层的产状，并马上在微机上显示出 前方煤层厚度的变化，如果发现断层，可以改变仪器探测的方位角， 再做4-5条测线，就可以确定断层的走向和在平面上延伸的距离。
图5是利用本实用新型仪器在江西瑞昌小煤窑做的巷道超前探 测的剖面。从图中可以看出，在巷道前方1 9米的地方，仪器探测 的电压值在124 177mv之间变化，很明显，这种电压值结合掌子面 所见到的煤层反映了煤层的特征，再往前，9 14米上部电压值变小， 在111 87mv之间变化，下部电压值仍在126 137mv之间，因此下 部解释称煤层，上部为岩石。据此逐渐往下解释，得出巷道超前96 米范围内的煤层变化情况。经过巷道掘进验证，煤层厚度的变化基本 和探测的成果相符。
权利要求1、 一种无源巷/隧道超前探测仪，其特征在于仪器主机由探测传感器(l)、信号采集器以及数据采集器(7)组成，所说的信号采集器 包括两个相互并联设置的信号采集器(I 、 II),其中的一个信号采集 器(I)由前置放大电路(2)、带通滤波电路(3)、 50Hz陷波电路(4)、 单一频率放大电路(5) 、 A/D转换电路(6)组成，另 一个信号采集器(II) 由前置放大电路(12)、带通滤波电路(ll)、 50Hz陷波电路(IO)、多 道选频放大电路(9)、 A/D转换电路(8)组成，探测传感器(l)的一路 输出端信号依次经第一信号采集器(I )的前置放大电路(2)、带通滤 波电路(3)、 50Hz陷波电路(4)、单一频率放大电路(5)、 A/D转换电 路(6)接至数据采集器(7)的输入端，探测传感器(1)的另一路输出端 信号依次经第二信号采集器(II)的前置放大电路(12)、带通滤波电路 (11)、 50Hz陷波电路(IO)、多道选频放大电路(9)、 A/D转换电路(8) 接至数据采集器(7)的输入端。
2、 根据权利要求1所述的无源巷/隧道超前探测仪，其特征在 于第二信号采集器(II)中的多道选频放大电路(9)具有一只型号为 0P-07的选频放大器，在0P-07的选频放大器的2脚和6脚间联接有 由多挡选频电阻Rh R2、 R3、 R4、 ......、 R1()。、电子选频开关K和定值电阻R" RB组成的双T网络负反馈电路，各选频电阻K、 R2、 R3、 R4、 .......R咖的阻值由公式计算得出。
专利摘要一种利用天然电磁波场源探测矿山巷/隧道掌子面前方一定距离内地下岩性情况的无源巷/隧道超前探测仪，由探测传感器、与探测传感器输出端信号联通的两个信号采集器以及用于接受信号采集器输出端信号的信号数据采集器组成，利用该探测仪可在煤田矿井生产现场或隧道施工现场方便操作并准确探测出前方可能存在的各种地质情况，减少因前方地质情况不明所引起的各种矿难的发生或隧道施工中可能出现的各种事故。
文档编号G01V3/08GK201037869SQ20072003127
公开日2008年3月19日 申请日期2007年2月16日 优先权日2007年2月16日
发明者杨武洋, 王文祥, 王西汉 申请人:王文祥