随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻探技术领域，具体涉及一种随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法。
技术背景
[0002]超前探测主要是在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向隧道、巷道掘进方向和工作面进行探测，探测前方是否存在有害地质构造或富水体及导水通道，为隧道的安全掘进提供详细的探测资料。
[0003]目前用于煤矿超前探测的直接方法为钻探法，间接方法为物探法，其中钻探法虽然钻探的结果比较可靠，但施工周期较长，费用较高，对隧道、巷道的正常生产影响较大。
[0004]目前可用于超前探测的物探法主要有五种，分别是三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法、地震波法、钻孔钻好后再进行的钻孔电法和钻孔电磁法。
[0005]以上这些地球物理方法都是一种隧道、巷道、工作面或钻孔钻好后的钻孔探测方法，由于巷道或工作面干扰较大，隧道、巷道内的掘进机、底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施对三极法、矿井瞬变电磁法的观测结果影响较大，同时，现场施工设计、数据观测及成果分析较复杂，并且探测参数单一，只利用了电阻率一个参数，排除多解性能力差，结果存在多解性。如果采用上述多种方法组合使用，又大大增加了超前预报的预报成本；而孔钻好后进行的钻孔探测方法由于煤层较软，钻孔经常塌孔而无法进行探测。地震波法主要解决地质构造界面的问题，对构造的富水性无法进行解释。
[0006]参考文献:《电磁测深法原理》1990年、地质出版社，朴化荣著；《时间域电磁法原理》2007年中南大学出版，牛之琏编著。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对一种随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法，通过该装置和方法，可对掘进隧道、巷道迎头及工作面正在钻进的钻孔进行探测，可以探测钻孔周围O?50米范围内的富水体和导水通道等有害地质体并进行精细有效的探测预报。
[0008]为实现此目的，本发明所设计的随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置，它包括现场主机、钻机、一端与钻机的钻杆头部螺纹连接的探测钻杆、与探测钻杆的另一端螺纹连接的钻头，其中，所述探测钻杆内设置有探测探头，该探测探头包括发射线圈、接收线圈、电磁波发射模块、电磁波接收模块、单片机、三维电子罗盘、探头网口、第一存储器，所述单片机的存储端口连接第一存储器，单片机的通信端连接探头网口，单片机的罗盘通信端连接三维电子罗盘的通信端，单片机的电磁波发射控制信号输出端连接电磁波发射模块的输入端，单片机的电磁波接收端连接电磁波接收模块的输出端，电磁波发射模块的输出端连接发射线圈，电磁波接收模块的输入端连接接收线圈，所述探头网口能与现场主机进行数据通信。
[0009]一种利用上述随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置进行钻孔超前探测的方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0010]步骤1:将钻机设置在巷道中，通过钻机的钻杆、探测钻杆和钻头在围岩中进行钻孔操作；
[0011]步骤2:钻机钻进到钻杆的尾端时停止钻孔，此时的钻孔深度等于探测钻杆、钻头和一根钻杆的长度之和，此时探测钻杆由旋转变为静止状态；
[0012]步骤3:探测钻杆由旋转变为静止状态时三维电子罗盘向单片机发出探测钻杆处于静止状态的信号，此时单片机通过电磁波发射模块和发射线圈依次完成两组不同频率的探测电磁波发射，两组不同频率的探测电磁波在随钻钻孔内形成不同频率的两组响应电磁波，接收线圈接收上述不同频率的两组响应电磁波，并将上述两组不同频率的响应电磁波以及对应的响应电磁波频率数据传输给电磁波接收模块进行数字化处理；单片机通过三维电子罗盘读取当时的探测钻杆的三维轨迹数据和探测时的时间，并将所有数据保存于单片机的第一存储器中；
[0013]步骤4:将钻机的钻杆、探测钻杆和钻头从随钻钻孔取出，现场主机根据钻杆、探测钻杆和钻头的长度记录此次钻孔的深度，将探测钻杆从钻杆中拆卸下来，现场主机通过探测钻杆内的探头网口读取第一存储器中的两组不同频率的响应电磁波数据以及对应的响应电磁波频率数据、探测钻杆的三维轨迹数据、探测时的时间数据；
[0014]步骤5:在钻杆的尾部安装另一根钻杆，重新在随钻钻孔内进行第二次钻孔操作，当钻机钻进到末端钻杆的尾端时停止钻孔，此时的钻孔株度等于探测钻杆、钻头和两根钻杆的长度之和，此时探测钻杆由旋转变为静止状态，然后利用步骤3和步骤4的方式使现场主机得到第二次钻孔操作所对应的两组不同频率的响应电磁波数据以及对应的响应电磁波频率数据、探测钻杆(6)的三维轨迹数据、探测时的时间数据；
[0015]步骤6:现场主机根据上述两次钻孔操作的不同频率的响应电磁波数据和对应的响应电磁波频率数据，依据参考文献《电磁测深法原理》中记载的现有方式计算得到以上各个频率的响应电磁波对应的视电阻率值和相应频率的探测半径；
[0016]现场主机根据上述各个不同频率的响应电磁波数据、各个频率的响应电磁波对应的视电阻率值和相应频率的探测半径，依据参考文献《电磁测深法原理》中记载的现有方法生成随钻钻孔周围围岩的视电阻率图谱；现场主机根据探测钻杆的三维轨迹数据生成随钻钻孔的轨迹图；
[0017]步骤7:根据步骤6中得到的随钻钻孔周围围岩的视电阻率图谱和随钻钻孔的轨迹图，计算随钻钻孔全孔所有测量位置的视电阻率的三倍均方差值，同时，计算全孔所有测量位置的视电阻率的平均值，将上述视电阻率的平均值分别减去全孔每个测量位置的视电阻率，如果某一个测量位置所对应的计算结果大于上述视电阻率的三倍均方差值，则说明该测量位置周围0.5?50米半径范围内存在低阻体异常，如果存在低阻体异常，则根据低阻体异常结果以及随钻钻孔周围的地质资料依据参考文献《电磁测深法原理》记载的方法分析造成低电阻率区域是否有含水体，这样就可以实现随钻钻孔的超前探测。
[0018]本发明相比于现有的超前预报设备和方法，本发明的有益效果主要表现在:
[0019](I)采用本发明，将探测探头安装于钻孔钻机的钻头和钻杆之间，通过螺纹连接并置于正在钻进的钻孔中，探测探头可以发射高低不同频率的一组电磁波来探测钻孔周围不同半径距离的岩层地质特征，判断钻孔周围一定范围内有无含水体等有害地质体。随着钻孔的钻进，探头自动在不同的钻孔深度处进行探测，探测整个钻孔周围柱状体内的地层特征，探测范围大，信息多，且相邻测点的测试结果可以相互验证，准确可靠。另外，本发明可大大减少探测钻孔的数量，节省时间和成本，提高工作效益，同时也提高了煤矿井下巷道掘进隐伏水患的排除能力。
[0020](2)采用本发明，实现不同频率的一组电磁波发射，探测数据量多，同时又在钻孔内避开井下人为的强干扰背景(由于钻孔周围围岩单一，没有掘进机、底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施)，背景相对固定；因此，可以提高微弱信号的识别和处理能力，这样可确保探测结果准确可靠，为指导巷道掘进提供更科学的依据。
[0021](3)采用本发明，可以实现现场主机探测时实时显示探测结果，自动分析成图并进行预报，无需复杂的人工数据分析和处理阶段；能为地质探测人员快速给出可靠的分析预报资料。因此，本发明的装置具备可操作性、有效性和实用性等优点。
[0022](4)与【背景技术】中介绍的孔钻好后进行的钻孔探测方法相比，本发明不存在因钻孔坍塌而不能探测的情况，使钻孔探测无盲区、无死角。
[0023]本发明实现巷道超前钻孔进行随钻超前探测，可对钻孔周围半径0.5?50米范围内进行精细扫描近距离探测，是钻探和物探有机的结合，这样既可提高物探的探测精度又可减少钻探的钻孔数量，做到掘进巷道超前精准探测。
【附图说明】
[0024]图1为本发明结构部分的使用状态示意图；
[0025]图2为本发明中现场主机部分的结构框图；
[0026]图3为本发明中探测探头部分的结构框图；
[0027]图4为本发明中探测钻杆部分的结构框图；
[0028]其中，I一现场主机、1.1一中央处理器、1.2—第二存储器、1.3—人机交互设备、
1.4一主机网口、1.5一系统总线、2—探测探头、2.1一发射线圈、2.2一接收线圈、2.3一电磁波发射模块、2.4—电磁波接收模块、2.5—单片机、2.6—三维电子罗盘、2.7—探头网口、
2.8—第一存储器、3—钻机、4一钻杆、5—随钻钻孔、6—探测钻杆、6.1—发射线圈基座、6.2一接收线圈基座、6.3