随钻钻孔电磁波层析成像超前探水设备及方法研究

1 项目背景

目前在煤矿井下利用物探进行超前水文地质勘探时一般是在巷道及工作面表面利用物探设备进行勘探,这样勘探深度和广度上受到了一定的限制；也有少部分利用钻孔在到位退杆后再将探测设备送入进行探测，遇到钻孔稍有变形、塌孔便无法实现,甚至出现在钻孔的同时可能透水的危险。同时由于各种地质条件和围岩条件的差异性，以及解释方法的多解性，再加上环境和人为因素的干扰，单独基于物探技术进行的判断和解释都有程度不一的误差甚至是误判，因此，超前物探后还必须采用施工强度大、成本高的钻探进行验证。为此，亟需研发一种能够实现在钻进的同时进行积水超前探测的装置及解释方法，及时显示探测信息及分析结果，为掘进安全提供科学依据。

2 研究内容

（1）发明了一种随钻钻孔电磁波层析成像探测物探方法

该方法通过探测时将探测探头置于探测钻杆中，并随钻机一起钻井，探头根据钻杆的工作状态自动探测，探测时通过发射接收不同频率的一组电磁波来完成探测钻孔周围不同半径的岩层地质情况，当钻孔完成并在探测探头退出钻孔后，把探测探头的数据传输到现场主机，由现场主机计算每一个探测点处的钻孔周围不同半径的地层的视电阻率，并生成整个钻孔深度周围不同半径的视电阻率图谱，根据视电阻率图谱判定以钻孔轴线为中心圆柱体空间内的地质特征，分析判定地层是否存在含水体或含水地质构造等。

（2）研发了一种随钻钻孔电磁层析成像自动探测设备，为随钻探测提供了手段。

矿用本安型随钻钻孔电磁成像探水仪主要包括随钻电磁发射接收探头、仪器主机和探测钻杆。整套仪器如图1所示。由于探测探头安装在钻杆中的狭小空间内，必须要保证探测探头与钻杆之间的过水量、过水压力和抗震等要求，同时探测探头内还要安装发射、接收和控制等所有电路。因此随钻电磁发射接收探测探头的研发是本研究中最重要、最有突破性的研究内容。

图1矿用本安型随钻钻孔电磁成像探水仪

（3）研发了一种随钻钻孔电磁波层析成像超前探测方法

将探测探头和探测钻杆安装到钻头后面第一节位置，随钻探钻孔时一起钻进；当钻杆由旋转变为静止状态时，随钻探测探头中的传感器向控制器发出启动探测信号，接收线圈接收这组不同频率的电磁波响应，并传输给电磁波接收模块进行处理；同时通过三维姿态传感器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控制器的存储器中。

当钻孔完成后并且全部钻杆退出钻孔外面时取出随钻探测探头，主机根据记录增加钻杆的时间和钻进钻孔深度，通过探头的蓝牙读取随钻探测探头的数据，计算得到各个频率电磁波的响应值所对应的视电阻率值和相应频率的探测半径，生成随钻钻孔周围围岩的视电阻率图谱。

(4)研发了一种煤矿随钻电磁层析成像探测数据的处理分析准确预报技术

由于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，并通过检验当存在低阻体异常时，结合钻孔地质资料进行分析是否有含水体，使得探测结果准确可靠。

3 主要研究成果

（1）项目提出了在直径为40 mm的煤矿井下掘进钻孔内,利用25 mm集成测量探头对钻孔周围和孔底20 m～30 m范围内进行探测预报方法；

（2）研发了随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法，实现了钻探与物探相结合的钻孔全方位探水技术，超前实现了巷道掘进时钻探和物探有机结合的随钻超前探测。该探水设备，采用不同频率的电磁波探测钴孔周围不同半径范围内的岩层地质特征，在钻孔内可避开井下强干扰背景，提高了微弱信号的识别和处理能力。试验表明，钻孔周围探测半径在0 m～30 m范围内，克服了目前钻孔探水仪因钻孔塌孔而不能探测的问题，钻孔超前探测范围内无盲区、无死角，解决煤矿井下水害探测难题。

主要技术指标：

（1）随钴钻孔探测深度：50 m～300 m；

（2）探测钻孔周围围岩半径：0 m～30 m；

（3）探头适用钻杆：50 mm～70 mm；

（4）探头的电池工作时间：大于30 h；

（5）探水主机电池工作时间：大于30 h；

（6）探测数据自动分析程度：达到80%；

（7）防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志：ExibI。

4 应用效果

该项目充分研究了集团公司生产矿井的地质条件和煤岩的物理参数特性，建立了合理的数学解析模型，在每种地质类型的矿井进行了现场试验、分析、总结，最后形成了一套完善的随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法，在塔山、同忻、燕子山等煤矿进行了现场工业性试验，随钻电磁波层析成像超前探测结果见如图2所示。本项研究有效解决了掘进水害超前探问题，社会经济效益显著，推广应用前景广阔。。

该项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际领先水平。

图2随钻电磁波层析成像超前探测结果图