随钻钻孔物探超前探测装置及探测方法
【专利摘要】本发明公开了随钻钻孔物探超前探测装置，它的探杆内部设有第一探杆导线和第二探杆导线，第一探杆导线的一端连第一电刷环的信号输入端，另一端连第一信号发射模块的高电位信号输出端，第二探杆导线的一端连第二电刷环的信号输入端，另一端连第二信号发射模块的高电位信号输出端，金属导电杆分别连第一信号发射模块和第二信号发射模块的零电位接口，第一信号接收模块的电流信号输入端与第一探杆导线接通，第二信号接收模块的电流信号输入端与第二探杆导线接通，第一电刷环和第二电刷环的信号输出端均与钻杆的内壁连接。本发明可对掘进隧道及巷道迎头的钻孔周围的富水体和导水通道等有害地质体进行精细有效的探测预报。
【专利说明】随钻钻孔物探超前探测装置及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用地球物理学电法和钻探【技术领域】，具体地指一种随钻钻孔物探超前探测装置及探测方法。
【背景技术】
[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四种，分别是三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法、地震波法和钻孔超前探水法。其中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。
[0005]以上除钻孔超前探水法外，其它地球物理方法都是一种隧道、巷道或工作面的超前探测方法，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，只利用了视电阻率一个参数，排除多解性能力差，结果存在多解性。钻孔超前探水法是在钻孔后再把探测探头放到钻孔中进行探测，但会遇到钻孔塌孔后就无法工作，钻孔太深后难以把探头推进等问题。
[0006]参考文献:《测井原理及仪器》、2008年、科学出版社，庞巨丰著；《地电场与电法勘探》2005年、地质出版社、李金铭著；《地球物理测井与井中物探》、潘和平等编、2013年、科学出版社。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是要提供一种随钻钻孔物探超前探测装置及探测方法，通过该装置和方法，可对掘进隧道及巷道迎头的钻孔周围30?50米范围内的富水体和导水通道等有害地质体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物探超前探测装置，其特征在于:它包括设置在巷道中的现场主机、设置在钻孔中的钻杆、设置在钻杆中的探杆、嵌入巷道地层内的金属导电杆，其中，现场主机包括系统总线、中央处理器、人机交互设备、第一信号发射模块、第二信号发射模块、第一信号接收模块和第二信号接收模块，所述中央处理器、人机交互设备、第一信号发射模块、第二信号发射模块、第一信号接收模块和第二信号接收模块的控制信号通信端均接入系统总线；
[0009]所述探杆的头部外侧并排套接有第一电刷环和第二电刷环，所述探杆内部设有第一探杆导线和第二探杆导线，所述第一探杆导线的一端连接第一电刷环的信号输入端，第一探杆导线的另一端连接所述第一信号发射模块的高电位信号输出端，第二探杆导线的一端连接第二电刷环的信号输入端，第二探杆导线的另一端连接第二信号发射模块的高电位信号输出端，金属导电杆分别连接第一信号发射模块和第二信号发射模块的零电位接口，第一信号接收模块的电流信号输入端与第一探杆导线接通，第二信号接收模块的电流信号输入端与第二探杆导线接通；
[0010]所述第一电刷环和第二电刷环的信号输出端均与钻杆的内壁连接。
[0011]一种利用上述随钻钻孔物探超前探测装置的随钻钻孔物探超前探测方法，其特征在于，它包括以下步骤:
[0012]步骤1:利用钻杆在巷道掘进面的前方进行钻孔，当钻杆打钻到预先设定的一个测量位置后停止钻孔；
[0013]步骤2:将探杆装入上述钻杆内，此时，第一信号发射模块的高电位信号输出端、第一电刷环、钻杆、围岩、金属导电杆和第一信号发射模块的零电位接口构成第一电场回路，第二信号发射模块的高电位信号输出端、第二电刷环、钻杆、围岩、金属导电杆和第二信号发射模块的零电位接口构成第二电场回路；
[0014]步骤3:中央处理器控制第一信号发射模块向上述第一电场回路输送第一电压信号，此时，第一信号接收模块测量第一电场回路中的电流，并将测量到的第一电流信号传送给中央处理器；中央处理器控制第二信号发射模块向上述第二电场回路输送第二电压信号，此时，第二信号接收模块测量第二电场回路中的电流，并将测量到的第二电流信号传送给中央处理器；
[0015]步骤4:所述中央处理器通过上述第二电流信号利用现有的视电阻率公式和视极化率公式计算出围岩的视电阻率和视激发极化率；
[0016]步骤5:钻杆继续向不同的测量位置打钻，每隔一定距离重复步骤2至步骤4的操作，中央处理器得到不同钻孔深度的围岩的视电阻率和视激发极化率；
[0017]步骤6:中央处理器根据步骤5得到的不同钻孔深度的围岩的视电阻率和视激发极化率，绘制出全孔的视电阻率和视激发极化率图谱，中央处理器根据全孔的视电阻率和视激发极化率图谱，计算全孔所有测量位置的视电阻率的三倍均方差值以及全孔所有测量位置的视激发极化率数据的三倍均方差值，同时，计算全孔所有测量位置的视电阻率的平均值以及全孔所有测量位置的视激发极化率数据的平均值，将全孔每个测量位置的视电阻率分别减去上述视电阻率的平均值，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，则说明该测量位置存在有害地质体；将全孔每个测量位置的视激发极化率数据分别减去上述视激发极化率数据的平均值，如果某一个测量位置所对应的计算结果大于上述视激发极化率数据的三倍均方差值，则说明该测量位置存在有害地质体，这样就实现了钻孔的超前探测。
[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](I)采用本发明，将探杆放置于钻机的钻杆中心孔中，通过钻杆向周围围岩发射二路电场信号，接收二路电场在围岩的响应信号，随着钻孔不断的钻进，可以以每钻进5?10米测试一次，通过接收的二路电场的响应信号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。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，实现二路电场同时通过钻杆向周围围岩进行发射，其中一路电场是启屏蔽作用(即上述第一电场回路)，可以避开井下人为的强干扰背景(避开掘进机、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。
[0022](4)本发明采用钻孔和物探的结合，实现实时钻机钻孔时进行物探超前探测，避免钻孔塌孔而无法进行钻孔物探探测，做到有钻孔必能进行钻孔物探超前探测，不给超前探测留有任何盲区。
[0023]综上所述，本发明利用巷道超前(在巷道掘进面的前方进行钻孔，相对掘进面，钻孔向前方钻进)的钻孔进行物探，对钻孔周围半径30?50米范围内进行精细扫描近距离探测，是钻探和物探的有机结合，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。
【专利附图】
【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、探杆及金属导电杆部分的结构框图；
[0026]图3为本发明中探杆的左视结构框图；
[0027]图4为本发明中聚焦电场的示意图。
[0028]其中，1 一现场主机、1.1一系统总线、1.2 —中央处理器、1.3—存储器、1.4一人机交互设备、1.5—USB通信口、1.6—第二信号接收模块、1.7—第一信号发射模块、1.8—第一信号接收模块、1.9一第二信号发射模块、2—探杆、2.1—第一探杆导线、2.2—第二探杆导线、2.3一第一电刷环、2.4一第二电刷环、3—围岩、4一金属导电杆、5—钻机、6—钻杆、7—钻孔、8—巷道。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0030]如图1?3所示的随钻钻孔物探超前探测装置，它包括设置在巷道8中的现场主机1、设置在钻孔7中的钻杆6 (该钻杆6由钻机5驱动)、设置在钻杆6中的探杆2、嵌入巷道8地层内的金属导电杆4 (即随钻钻孔物探超前探测装置的B极)，其中，现场主机I包括系统总线1.1、中央处理器1.2、人机交互设备1.4、第一信号发射模块1.7、第二信号发射模块1.9、第一信号接收模块1.8和第二信号接收模块1.6，所述中央处理器1.2、人机交互设备1.4、第一信号发射模块1.7、第二信号发射模块1.9、第一信号接收模块1.8和第二信号接收模块1.6的控制信号通信端均接入系统总线1.1 ；
[0031]所述探杆2的头部外侧并排套接有第一电刷环2.3和第二电刷环2.4，所述探杆2内部设有第一探杆导线2.1和第二探杆导线2.2，所述第一探杆导线2.1的一端连接第一电刷环2.3的信号输入端，第一探杆导线2.1的另一端连接所述第一信号发射模块1.7的高电位信号输出端，第二探杆导线2.2的一端连接第二电刷环2.4的信号输入端，第二探杆导线2.2的另一端连接第二信号发射模块1.9的高电位信号输出端，金属导电杆4分别连接第一信号发射模块1.7和第二信号发射模块1.9的零电位接口，第一信号接收模块1.8的电流信号输入端与第一探杆导线2.1接通，第二信号接收模块1.6的电流信号输入端与第二探杆导线2.2接通；
[0032]所述第一电刷环2.3和第二电刷环2.4的信号输出端均与钻杆6的内壁连接。
[0033]上述技术方案中，人机交互设备1.4包括触摸屏、显示屏、光电旋钮(相当于电脑鼠标)。
[0034]上述技术方案中，所述现场主机I还包括接入系统总线1.1的存储器1.3和USB (Universal Serial Bus，通用串行总线)通信口 1.5，存储器1.3用于储存不同钻孔深度的围岩3的视电阻率和视激发极化率、全孔的视电阻率和视激发极化率图谱、超前探测的半径和深度等数据，USB通信口 1.5方便了现场主机I的扩展。
[0035]上述技术方案中，所述金属导电杆4的安装位置距钻孔7的尾端100?200米，由于煤矿的供电电流和电压不允许太大，为保证电场强度适中，选择上述距离范围，其中优选为100米。
[0036]上述技术方案中，所述第一电刷环2.3和第二电刷环2.4之间的距离为I?2米。
[0037]—种利用上述随钻钻孔物探超前探测装置的随钻钻孔物探超前探测方法，其特征在于，它包括以下步骤:
[0038]步骤1:利用钻杆6在巷道掘进面的前方进行钻孔，当钻杆6打钻到预先设定的一个测量位置后停止钻孔；
[0039]步骤2:将探杆2装入上述钻杆6内，此时，第一信号发射模块1.7的高电位信号输出端、第一电刷环2.3、钻杆6、围岩3、金属导电杆4和第一信号发射模块1.7的零电位接口构成第一电场回路，第二信号发射模块1.9的高电位信号输出端、第二电刷环2.4、钻杆6、围岩3、金属导电杆4和第二信号发射模块1.9的零电位接口构成第二电场回路，测量时上述第一电场回路和第二电场回路同时接通；
[0040]步骤3:中央处理器1.2控制第一信号发射模块1.7向上述第一电场回路输送第一电压信号，此时，第一信号接收模块1.8测量第一电场回路中的电流，并将测量到的第一电流信号传送给中央处理器1.2 ;中央处理器1.2控制第二信号发射模块1.9向上述第二电场回路输送第二电压信号，此时，第二信号接收模块1.6测量第二电场回路中的电流，并将测量到的第二电流信号传送给中央处理器1.2 ;上述第一电场回路根据同性电荷相排斥的原理起屏蔽第二电场回路的作用，迫使第二电场回路向前和在第一电场回路的外围作用，如图4所示，图中实线是第一电场回路为屏蔽电场，虚线为第二电场回路为测量电场，这样可以避开井下人为的强干扰背景(避开掘进机、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，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；
[0041]步骤4:所述中央处理器1.2通过上述第二电流信号利用现有的视电阻率公式和视极化率公式计算出围岩3的视电阻率和视激发极化率(该计算公式和计算方法详见，《地电场与电法勘探》2005年、地质出版社、李金铭著，P216页)；
[0042]步骤5:钻杆6继续向不同的测量位置打钻，每隔5?10米(一般物探工作方式，间隔太小会增加工作量，间隔太大，相当于探测数据太少，会降低探测效果，故选择上述间隔)重复步骤2至步骤4的操作，中央处理器1.2得到不同钻孔深度的围岩3的视电阻率和视激发极化率；
[0043]步骤6:中央处理器1.2根据步骤5得到的不同钻孔深度的围岩3的视电阻率和视激发极化率，绘制出全孔的视电阻率和视激发极化率图谱，中央处理器1.2根据全孔的视电阻率和视激发极化率图谱，计算全孔所有测量位置的视电阻率的三倍均方差值以及全孔所有测量位置的视激发极化率数据的三倍均方差值，同时，计算全孔所有测量位置的视电阻率的平均值以及全孔所有测量位置的视激发极化率数据的平均值，将全孔每个测量位置的视电阻率分别减去上述视电阻率的平均值，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，则说明该测量位置存在有害地质体(即含水体或含水地质构造等)；将全孔每个测量位置的视激发极化率数据分别减去上述视激发极化率数据的平均值，如果某一个测量位置所对应的计算结果大于上述视激发极化率数据的三倍均方差值，则说明该测量位置存在有害地质体(即含水体或含水地质构造等)，这样就实现了钻孔的超如探测；
[0044]步骤7，对于存在有害地质体的情况，根据全孔的视电阻率和视激发极化率图谱中视电阻率曲线半极值点间的弦长和视激发极化率曲线半极值点间的弦长计算有害地质体到钻孔的距离。(该计算方法详见《地电场与电法勘探》2005年、地质出版社、李金铭著，P147页)，例如:每一个测点得到一个视电阻率和视激发极化率值，当一个钻孔的探测完后，得到二个各测点的视电阻率和视激发极化率剖面曲线图，再利用曲线半极值点间的弦长求有害地质体到钻孔的距离。
[0045]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种随钻钻孔物探超前探测装置，其特征在于:它包括设置在巷道(8)中的现场主机(I)、设置在钻孔⑵中的钻杆(6)、设置在钻杆(6)中的探杆(2)、嵌入巷道⑶地层内的金属导电杆(4)，其中，现场主机(I)包括系统总线(1.1)、中央处理器(1.2)、人机交互设备(1.4)、第一信号发射模块(1.7)、第二信号发射模块(1.9)、第一信号接收模块(1.8)和第二信号接收模块(1.6)，所述中央处理器(1.2)、人机交互设备(1.4)、第一信号发射模块(1.7)、第二信号发射模块(1.9)、第一信号接收模块(1.8)和第二信号接收模块(1.6)的控制信号通信端均接入系统总线(1.D ; 所述探杆(2)的头部外侧并排套接有第一电刷环(2.3)和第二电刷环(2.4)，所述探杆(2)内部设有第一探杆导线(2.1)和第二探杆导线(2.2)，所述第一探杆导线(2.1)的一端连接第一电刷环(2.3)的信号输入端，第一探杆导线(2.1)的另一端连接所述第一信号发射模块(1.7)的高电位信号输出端，第二探杆导线(2.2)的一端连接第二电刷环(2.4)的信号输入端，第二探杆导线(2.2)的另一端连接第二信号发射模块(1.9)的高电位信号输出端，金属导电杆(4)分别连接第一信号发射模块(1.7)和第二信号发射模块(1.9)的零电位接口，第一信号接收模块(1.8)的电流信号输入端与第一探杆导线(2.1)接通，第二信号接收模块(1.6)的电流信号输入端与第二探杆导线(2.2)接通； 所述第一电刷环(2.3)和第二电刷环(2.4)的信号输出端均与钻杆(6)的内壁连接。
2.根据权利要求1所述的随钻钻孔物探超前探测装置，其特征在于:所述现场主机(I)还包括接入系统总线(1.1)的存储器(L 3)和USB通信口(1.5)。
3.根据权利要求1所述的随钻钻孔物探超前探测装置，其特征在于:所述金属导电杆(4)的安装位置距钻孔(7) 的尾端100~200米。
4.根据权利要求1所述的随钻钻孔物探超前探测装置，其特征在于:所述第一电刷环(2.3)和第二电刷环(2.4)之间的距离为I~2米。
5.一种利用权利要求1所述随钻钻孔物探超前探测装置的随钻钻孔物探超前探测方法，其特征在于，它包括以下步骤: 步骤1:利用钻杆(6)在巷道掘进面的前方进行钻孔，当钻杆(6)打钻到预先设定的一个测量位置后停止钻孔； 步骤2:将探杆⑵装入上述钻杆(6)内，此时，第一信号发射模块(1.7)的高电位信号输出端、第一电刷环(2.3)、钻杆(6)、围岩(3)、金属导电杆(4)和第一信号发射模块(1.7)的零电位接口构成第一电场回路，第二信号发射模块(1.9)的高电位信号输出端、第二电刷环(2.4)、钻杆(6)、围岩(3)、金属导电杆(4)和第二信号发射模块(1.9)的零电位接口构成第二电场回路； 步骤3:中央处理器(1.2)控制第一信号发射模块(1.7)向上述第一电场回路输送第一电压信号，此时，第一信号接收模块(1.8)测量第一电场回路中的电流，并将测量到的第一电流信号传送给中央处理器(1.2);中央处理器(1.2)控制第二信号发射模块(1.9)向上述第二电场回路输送第二电压信号，此时，第二信号接收模块(1.6)测量第二电场回路中的电流，并将测量到的第二电流信号传送给中央处理器(1.2)； 步骤4:所述中央处理器(1.2)通过上述第二电流信号利用现有的视电阻率公式和视极化率公式计算出围岩(3)的视电阻率和视激发极化率； 步骤5:钻杆(6)继续向不同的测量位置打钻，每隔一定距离重复步骤2至步骤4的操作，中央处理器(1.2)得到不同钻孔深度的围岩(3)的视电阻率和视激发极化率； 步骤6:中央处理器(1.2)根据步骤5得到的不同钻孔深度的围岩(3)的视电阻率和视激发极化率，绘制出全孔的视电阻率和视激发极化率图谱，中央处理器(1.2)根据全孔的视电阻率和视激发极化率图谱，计算全孔所有测量位置的视电阻率的三倍均方差值以及全孔所有测量位置的视激发极化率数据的三倍均方差值，同时，计算全孔所有测量位置的视电阻率的平均值以及全孔所有测量位置的视激发极化率数据的平均值，将全孔每个测量位置的视电阻率分别减去上述视电阻率的平均值，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，则说明该测量位置存在有害地质体；将全孔每个测量位置的视激发极化率数据分别减去上述视激发极化率数据的平均值，如果某一个测量位置所对应的计算结果大于上述视激发极化率数据的三倍均方差值，则说明该测量位置存在有害地质体，这样就实现了钻孔的超前探测。
6.根据权利要求5所述的随钻钻孔物探超前探测方法，其特征在于:所述步骤6后还包括步骤7，对于存在有害地质体的情况，根据全孔的视电阻率和视激发极化率图谱中视电阻率曲线半极值点 间的弦长和视激发极化率曲线半极值点间的弦长计算有害地质体到钻孔的距离。
7.根据权利要求5所述的随钻钻孔物探超前探测方法，其特征在于:所述步骤5中的一定距离为5~10米。
【文档编号】E21B49/00GK103967476SQ201410172852
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】武强, 刘春生, 刘鎏, 陶凤娟 申请人:武汉长盛煤安科技有限公司