一种矿用钻孔雷达超前探水预报装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉应用地球物理学雷达波探测技术领域，具体地指一种矿用钻孔雷达超前 探水预报装置及方法。
【背景技术】
[0002] 煤矿超前探水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三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法、地 震波法、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;钻孔 电法和钻孔电磁法无法对含水体的大小和距离进行判断解释。
[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《探地雷达理论与应用》2006年、科技出版社，粟毅、黄 春琳、雷文太著;《探地雷达方法原理及应用》2006年、科技学出版，曾昭发等编著。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的就是要提供一种煤矿钻孔雷达超前探水预报装置及方法，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 0~30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，本发明所设计的矿用钻孔雷达超前探水预报装置，它包括现场主 机，探头，网线电缆，推杆，设置在探头内的发射天线、接收天线、雷达波信号发射模块、雷达 波信号接收模块、单片机、电池、探头网口、第一存储器和三维电子罗盘，其中，所述雷达波 信号发射模块的信号输出端与发射天线的信号输入端连接，雷达波信号接收模块的信号输 入端与接收天线的信号输出端连接;所述雷达波信号发射模块和雷达波信号接收模块的通 信端分别与单片机的信号发射通信端和信号接收通信端连接，所述第一存储器和三维电子 罗盘的通信端分别与单片机的数据存储通信端和罗盘数据通信端连接，所述单片机的数据 通信端通过探头网口和网线电缆与现场主机的数据通信端连接;所述电池分别向雷达波信 号发射模块、雷达波信号接收模块、三维电子罗盘和单片机供电；
[0009] 所述雷达波信号发射模块和发射天线能在单片机的控制下向待测钻孔周围发射 脉冲宽频带雷达波，所述雷达波信号接收模块和接收天线用于接收发射天线发射的直达雷 达波信号和待测钻孔周围岩体反射的雷达波信号；
[0010] 所述单片机用于将接收到的直达雷达波信号和反射雷达波信号进行数字化处理， 得到直达雷达波和反射雷达波数字信号，并将该直达雷达波和反射雷达波数字信号与三维 电子罗盘测得的钻孔轨迹数据输送到现场主机或保存第一存储器中，所述现场主机用于根 据上述直达雷达波和反射雷达波数字信号以及上述钻孔轨迹数据生成对应的雷达波列图 和钻孔轨迹图。
[0011] -种利用矿用钻孔雷达超前探水预报装置进行超前探水预报的方法，其特征在 于，它包括如下步骤：
[0012] 步骤1:将探头置于待测钻孔孔口；
[0013] 步骤2:现场主机通过单片机控制雷达波信号发射模块使发射天线发射脉冲宽频 雷达波；
[0014] 步骤3:接收天线接收发射天线发射的直达雷达波信号和待测钻孔周围岩体反射 的雷达波信号，雷达波信号接收模块和单片机对接收天线接收的直达雷达波信号和反射雷 达波信号进行信号预处理和数字化，然后单片机将直达雷达波和反射雷达波数字信号传输 给现场主机;同时，三维电子罗盘测量待测钻孔孔口处的坐标数据，并将待测钻孔孔口处的 坐标数据传输给单片机，单片机将待测钻孔孔口处的坐标数据传输给现场主机；
[0015] 步骤4:利用推杆将探头由待测钻孔孔口向孔底逐步推进，并利用步骤2~步骤3所 述的待测钻孔超前探测方法对待测钻孔进行逐点扫描探测，即在每个预设的探测点进行扫 描探测，得到待测钻孔孔口至孔底每个预设探测点的直达雷达波信号和反射雷达波信号， 以及每个预设探测点的坐标数据，从而得到待测钻孔孔口至孔底所有预设探测点的雷达波 数据，以及待测钻孔的轨迹数据；
[0016] 步骤5:现场主机根据待测钻孔孔口至孔底所有预设探测点的雷达波数据中的雷 达波时间和雷达波幅值构建数字化波形图，形成整个待测钻孔深度的二维数字化雷达波列 图，现场主机根据接收到的待测钻孔轨迹数据绘制出待测钻孔轨迹图；
[0017]步骤6:现场主机根据步骤5中得到的待测钻孔的整个待测钻孔深度的二维数字化 雷达波列图和待测钻孔轨迹图，找出所有的雷达波反射的信号，根据雷达波反射信号的幅 值判断所有的雷达波反射信号中是否包括由含水体产生的雷达反射波信号，并依据反射雷 达波的时间和幅值特征计算出由含水体产生的反射雷达波相对于待测钻孔的位置，这样就 可以判断待测钻孔周围岩体是否存在含水体，并得到含水体的位置和含水体离待测钻孔的 距离，依此可以做出预报，实现待测钻孔的超前探水及预报。
[0018] 应用本发明可以实现对隧道、巷道掘进的钻孔进行超前探测预报。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] (1)采用本发明，将脉冲宽频带雷达波发射接收探头布置在钻孔中，通过发射脉冲 宽频带雷达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。将探头在钻孔内推进并以一定的探测点距进行探测，可以充分利 用整个钻孔的深度，探测整个钻孔周围柱状体内的岩层特征，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，实现钻孔内脉冲宽频雷达波发射，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），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] 本发明实现巷道钻孔超前探测，利用巷道超前(在巷道掘进面的前方进行钻孔，相 对掘进面，钻孔向如方钻进）的钻孔进彳丁物探，对钻孔周围半径0~30米范围内进彳丁精细扫 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】
[0023] 图1为本发明结构部分的使用状态示意图；
[0024] 图2为本发明中现场主机部分的结构框图；
[0025]图3为本发明中探头的结构框图；
[0026]图4为本发明中探头中PVC塑料管内的结构示意图。
[0027] 其中，1一现场主机、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-系统总线、2-探头、2.1-发射天线、2.2-接收天线、2.3-雷达波{目 号发射模块、2.4-雷达波信号接收模块、2.5-单片机、2.6-电池、2.7-探头网口、2.8- 第一存储器、2.9-三维电子罗盘、3-网线电缆、4 一推杆、5-待测钻孔、6-发射天线圆柱 形安装座、7-接收天线圆柱形安装座、8-巷道、9一围岩、10-PVC塑料管。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和具体实施