礦井鉆孔電磁波透視技術(shù)開發(fā)與測試

房 哲 劉 磊 趙 兆 張仲禮

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

目前井下超前探測方法都是基于在井下巷道中激勵(lì)和采集信號(hào)，無可避免地受到巷道內(nèi)施工設(shè)備、電氣設(shè)備、金屬支護(hù)等各種設(shè)施的干擾，從而影響采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)探測距離也受到巷道空間條件的限制。如果能有效利用井下已有的超前探放水鉆孔，進(jìn)行鉆孔間電磁波透視，從而獲得孔間范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，不僅減小巷道干擾，而且能夠?qū)崿F(xiàn)沿鉆孔方向的長距離探測。

孔間電磁法研究最早始于20 世紀(jì)20 年代，由蘇聯(lián)學(xué)者A.Д.佩特羅夫斯基最早提出[1]。我國在1959 年開始進(jìn)行電磁波的相關(guān)研究與應(yīng)用，在1974 年，開始在煤礦領(lǐng)域主要開展煤礦井下坑透技術(shù)相關(guān)的儀器研制、成像理論研究及工作面探測推廣試驗(yàn)。21 世紀(jì)以來，我國孔間電磁波技術(shù)在煤礦領(lǐng)域方面的研究主要集中在對(duì)無線電波透視層析成像處理方法、煤礦地質(zhì)構(gòu)造探查應(yīng)用、坑道透視裝置等方面。在處理方法研究方面：如2010 年，吳榮新等提出了工作面實(shí)測場強(qiáng)值層析成像方法，優(yōu)化了層析成像處理方法，有效提高了坑透數(shù)據(jù)解釋效果[2]。在煤礦地質(zhì)構(gòu)造探查應(yīng)用方面：2017年，梁慶華等對(duì)礦井瓦斯富集區(qū)無線電波透視曲線特征進(jìn)行研究，提出了瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)劃分方法[3]。在坑道透視裝置方面：2010 年，肖玉林等人提出了“一發(fā)雙收”回采工作面探測方式，有效降低了現(xiàn)場施工強(qiáng)度，減少了對(duì)礦井生產(chǎn)的影響時(shí)間[4]。綜上所述，前人研究多集中在坑道無線電波透視技術(shù)，而對(duì)井下鉆孔間電磁波透視技術(shù)研究較少提及。本文通過對(duì)鉆孔孔間電磁波透視原理、儀器組成及施工工藝的介紹，結(jié)合野外測試數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證煤礦井下鉆孔孔間電磁波透視技術(shù)在超前探測中的可行性。

1 礦井鉆孔電磁波透視原理

礦井鉆孔電磁波透視（以下簡稱鉆孔透視）是根據(jù)電磁波穿越井下巷道之間、鉆孔之間的煤層途徑中，利用煤層中存在的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)電磁波傳播的影響形成的透視異常，從而對(duì)鉆孔間、巷道間煤層進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造探查。

假設(shè)輻射源(天線軸)中點(diǎn)O 為原點(diǎn)，在近似均勻、各項(xiàng)同性煤層中，觀測點(diǎn)P 到O點(diǎn)的距離為r，P 點(diǎn)的電磁波場強(qiáng)度H 由下式（1）表示：

式中：H0決定于發(fā)射功率和天線周圍煤層的初始場強(qiáng)；β 為煤層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；r 是P 點(diǎn)到O點(diǎn)的直線距離(m)；θ 是偶極子軸與觀測點(diǎn)方向的夾角。

當(dāng)鉆孔孔間煤層中存在地質(zhì)異常構(gòu)造（陷落柱、斷層等）時(shí)，會(huì)引起吸收系數(shù)β 的變化，因此可以通過測量接收?qǐng)鰪?qiáng)值來推算出鉆孔之間超前區(qū)域的β 分布情況和介質(zhì)分布情況，進(jìn)而對(duì)孔間超前區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況做出判斷。

2 礦井鉆孔電磁波透視儀器組成及工作方式

2.1 儀器系統(tǒng)組成

根據(jù)鉆孔透視的基本原理，本文研制了礦用鉆孔電磁波透視儀器（以下簡稱鉆孔透視儀），該儀器主要由孔中發(fā)射探管、孔中接收探管和孔外控制裝置等組成。如圖1 所示。

圖1 鉆孔電磁波透視儀器系統(tǒng)組成框圖

鉆孔透視儀主要目的是實(shí)現(xiàn)兩孔之間的特定頻率的電磁波發(fā)射和接收功能。因此孔中收發(fā)天線的性能是儀器研制的關(guān)鍵。該儀器采用高品質(zhì)孔中收發(fā)天線技術(shù)，結(jié)合高精度信號(hào)合成技術(shù)和高精度微弱信號(hào)處理技術(shù)，主要工作頻率為300KHz。實(shí)現(xiàn)了孔中電磁波信號(hào)高穩(wěn)定度發(fā)射和高靈敏度提取。系統(tǒng)各部分防爆類型均為本安型，符合井下施工要求。

2.2 系統(tǒng)工作方式

對(duì)基于井下超前探放水鉆孔的孔間透視而言，由于鉆孔空間狹小，孔中接收探頭的推送較為困難，無法頻繁移動(dòng)位置，因此選擇“一對(duì)一”的工作方式，即一個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)接收點(diǎn)。

3 礦井鉆孔電磁波透視儀器透視距離測試

在某試驗(yàn)鉆場進(jìn)行測試試驗(yàn)，鉆孔位置如圖2 所示。

3.1 鉆孔透視儀器孔間透視能力測試

在1# 鉆孔內(nèi)分別在距離孔口位置20m、25m、30m 處發(fā)射300KHz電磁波信號(hào)，2#鉆孔接收信號(hào)，為避免孔外信號(hào)干擾，只測量20m-40m范圍接收信號(hào)，相鄰兩接收點(diǎn)間距為2m。接收信號(hào)曲線如圖3 所示。

圖2 鉆孔位置及測試方式示意圖

從圖3 中曲線變化可以看到：由于孔中不同位置巖層介電參數(shù)有所差異，接收曲線在20m和25m 發(fā)射時(shí)信號(hào)接收能量有所變化，但曲線趨勢(shì)基本一致，整體隨接收距離的增大呈下降趨勢(shì)。30m發(fā)射時(shí)，接收曲線明顯呈現(xiàn)出中間高兩邊低的特征。相較于25m處和30m 處發(fā)射點(diǎn)，在20m 處發(fā)射時(shí)，信號(hào)在40m 左右接收處能量更接近背景噪聲。因此可以總結(jié)出，接收信號(hào)能量變化整體符合隨收發(fā)距離增大而減小的規(guī)律?？字型敢晝x器發(fā)射的300KHz電磁波信號(hào)可以有效穿透35m厚的砂巖層，孔中接收儀器沿射線方向最遠(yuǎn)接收范圍可達(dá)到40m。也間接證明了孔間透視儀器能夠有效透視35-40m厚度的煤層。

4 結(jié)論

4.1 井下鉆孔電磁波透視技術(shù)是以無線電波透視原理為理論依據(jù)，利用煤礦井下掘進(jìn)工作面已有的施工鉆孔，進(jìn)行鉆孔孔間范圍內(nèi)的地質(zhì)異常體探查。該技術(shù)具有受巷道電磁干擾小，距探測目標(biāo)近，探測范圍不受巷道空間制約等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 井下鉆孔電磁波透視儀器主要由孔中發(fā)射探管、孔中接收探管和孔外控制裝置等組成。儀器各組成部分都屬于防爆儀器，采用“一發(fā)一收”定點(diǎn)施工方式進(jìn)行測量。

4.3 通過地面鉆孔孔間測試，儀器功能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)孔間透視功能，在300KHz 頻率時(shí)能夠?qū)?5m-40m 間距的孔間煤層進(jìn)行有效透視，下一步還需要通過井下試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證儀器的功能及適用性。