单孔电磁波层析成像超前探测装置及方法
【专利摘要】本发明所设计的单孔电磁波层析成像超前探测装置及方法，它的探头置于钻孔内，现场主机控制探头的发射、接收、信号采集和传输工作，通过发射接收不同频率的一组电磁波来探测探头处的钻孔周围不同半径的岩层地质的地层情况，现场主机计算探头处的钻孔周围不同半径的地层的视电阻率；利用推杆推进探头，在每一测点重复上述步骤，则可探测钻孔不同深度各测点的钻孔周围不同半径的地层视电阻率，生成整个钻孔深度周围不同半径的视电阻率图谱，根据视电阻率图谱可以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。
【专利说明】单孔电磁波层析成像超前探测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用地球物理学电磁探测【技术领域】，具体地指一种单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、地震波法和矿井地质雷达法。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；矿用地质雷达现在主要处于研究试用阶段，其探测深度较小。
[0005]以上这些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。
[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]本发明的目的就是要提供一种单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，本发明所设计的单孔电磁波层析成像超前探测装置，其特征在于:它包括现场主机，探头，设置在探头内的发射线圈、接收线圈、发射电路、接收电路、单片机、电池、探头网口，其中，所述发射电路的信号输出端与发射线圈的信号输入端连接，接收电路的信号输入端与接收线圈的信号输出端连接，所述发射电路和接收电路的通信端均与单片机的通信端连接，所述单片机的数据通信端通过探头网口与现场主机的数据通信端连接，所述电池分别向发射电路、接收电路和单片机供电；
[0009]所述发射电路和发射线圈能在单片机的控制下向待测钻孔周围发射不同频率的探测电磁波，所述接收电路和接收线圈用于接收待测钻孔周围对探测电磁波的响应电磁波信号，该响应电磁波信号具有与探测电磁波相对应的多个不同频率；
[0010]所述单片机能将响应电磁波信号数字化处理，并将数字化处理后的响应电磁波信号通过探头网口输送到现场主机，所述现场主机用于根据不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径，并将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔周围不同半径围岩的视电阻率图谱。
[0011]一种利用上述单孔电磁波层析成像超前探测装置进行待测钻孔超前探测的方法，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发射电路使发射线圈发射不同频率的探测电磁波；
[0014]步骤3:不同频率的探测电磁波在待测钻孔内形成不同频率的响应电磁波，接收线圈接收上述不同频率的响应电磁波，并将该不同频率的响应电磁波传输给接收电路；
[0015]步骤4:接收电路对接收到的不同频率的响应电磁波进行信号预处理，并将不同频率的响应电磁波转换为不同频率的响应电磁波数字信号，接收电路将所述不同频率的响应电磁波数字信号通过单片机传输给现场主机；
[0016]步骤5:现场主机根据上述不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径，现场主机将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔周围不同半径围岩的视电阻率图谱；
[0017]步骤6:根据步骤5中得到的视电阻率图谱，推断探头周围空间内是否存在低阻体异常，如果存在低阻体异常，则根据低阻体异常结果来分析探头周围空间内是否有含水体或含水地质构造，这样就实现了待测钻孔的超前探测。
[0018]本发明的有益效果:
[0019]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:
[0020](I)采用本发明，将电磁波发射接收探头布置在钻孔中，通过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。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，消除了探测结果存在的多解性。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。
[0021](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)，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，消除了探测结果存在的多解性，为指导巷道掘进提供更科学的依据。
[0022](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。
[0023]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。
【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部分的结构框图；
[0026]图3为本发明中探头部分的结构框图；
[0027]图4为本发明中发射线圈三角柱形安装座部分的结构框图；
[0028]图5为本发明中接收线圈三角柱形安装座部分的结构框图。
[0029]图中，I一现场主机、1.1一中央处理器、1.2—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—探头、2.1一发射线圈、2.2一接收线圈、2.3一发射电路、
2.4一接收电路、2.5—单片机、2.6 —电池、2.7—探头网口、3—网线电缆、4一推杆、5—待测钻孔、6—发射线圈二角柱形安装座、7—接收线圈二角柱形安装座、8—巷道、9一围岩。
【具体实施方式】
[0030]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:
[0031]如图1和图3所述的单孔电磁波层析成像超前探测装置，它包括现场主机1，探头2，设置在探头2内的发射线圈2.1、接收线圈2.2、发射电路2.3、接收电路2.4、单片机2.5、电池2.6、探头网口 2.7，其中，所述发射电路2.3的信号输出端与发射线圈2.1的信号输入端连接，接收电路2.4的信号输入端与接收线圈2.2的信号输出端连接，所述发射电路2.3和接收电路2.4的通信端均与单片机2.5的通信端连接，所述单片机2.5的数据通信端通过探头网口 2.7与现场主机I的数据通信端连接，所述电池2.6分别向发射电路2.3、接收电路2.4和单片机2.5供电；
[0032]所述发射电路2.3和发射线圈2.1能在单片机2.5的控制下向待测钻孔5周围发射不同频率的探测电磁波，所述接收电路2.4和接收线圈2.2用于接收待测钻孔5周围对探测电磁波的响应电磁波信号，该响应电磁波信号具有与探测电磁波相对应的多个不同频率；
[0033]所述单片机2.5能将响应电磁波信号数字化处理，并将数字化处理后的响应电磁波信号通过探头网口 2.7输送到现场主机1，所述现场主机I用于根据不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径(上述根据不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径的计算过程为现有技术，详见参考文献:《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。)，并将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔5周围不同半径围岩9的视电阻率图谱。(上述将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔5周围不同半径围岩9的视电阻率图谱的过程为现有技术，详见参考文献:《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。)
[0034]上述技术方案中，如图4和图5所示，它还包括发射线圈三角柱形安装座6和接收线圈三角柱形安装座7，发射线圈2.1和接收线圈2.2均有三组，所述三组发射线圈2.1分别设置在发射线圈三角柱形安装座6的三个侧面上，所述三组接收线圈2.2分别设置在接收线圈三角柱形安装座7的三个侧面上。上述三组接收线圈2.2并联在一起连接接收电路
2.4，上述三组发射线圈2.1并联在一起连接发射电路2.3。
[0035]上述发射线圈三角柱形安装座6和接收线圈三角柱形安装座7均为环氧棒材安装座。该设计能使发射线圈2.1和接收线圈2.2全方位发射、接收电磁波信号，上述发射线圈2.1和接收线圈2.2各由三组线圈组成发射接收三面体，同时对三组发射线圈发射不同频率的一组电磁波，三组接收线圈同时接收不同频率的电磁波响应信号。三组发射线圈
2.1同时发射，发射不同频率的一组电磁波，三组接收线圈2.2同时接收不同频率的电磁波响应信号，上述三组发射线圈2.1和三组接收线圈2.2同时发射和接收电磁波具有一致性好，速度快的优点，三组发射线圈2.1和三组接收线圈2.2均采用长500?1000mm，宽20?30mm的长方形重叠回线布置形式。上述长方形重叠回线布置形式具有响应信号强的优点。
[0036]上述技术方案中，发射电路2.3与发射线圈2.1、接收电路2.4与接收线圈2.2内置于探头2内，二者采用重叠回线(发射线圈2.1和接收线圈2.2 一样大，放置在一起)，可以提高接收微弱信号的抗干扰能力。
[0037]上述技术方案中，如图2所示，所述现场主机I包括中央处理器1.1、存储器1.2、人机交互设备1.3、主机网口 1.4和系统总线1.5，其中，所述存储器1.2、人机交互设备1.3和中央处理器1.1均与系统总线1.5连接，所述系统总线1.5通过主机网口 1.4连接探头网口 2.7。上述人机交互设备1.3包括触摸屏、显示屏、USB接口和光电旋钮(相当于电脑鼠标)。上述主机网口 1.4和探头网口 2.7通过网线电缆3连接。
[0038]上述技术方案中，它还包括设置在探头2尾端的推杆4。
[0039]一种利用上述单孔电磁波层析成像超前探测装置进行待测钻孔超前探测的方法，它包括如下步骤:
[0040]步骤1:将探头2置于待测钻孔5孔口；
[0041]步骤2:现场主机I通过单片机2.5控制发射电路2.3使发射线圈2.1发射不同频率的探测电磁波；
[0042]步骤3:不同频率的探测电磁波在待测钻孔5内形成不同频率的响应电磁波，接收线圈2.2接收上述不同频率的响应电磁波，并将该不同频率的响应电磁波传输给接收电路
2.4 ；
[0043]步骤4:接收电路2.4对接收到的不同频率的响应电磁波进行信号预处理，并将不同频率的响应电磁波转换为不同频率的响应电磁波数字信号，接收电路2.4将所述不同频率的响应电磁波数字信号通过单片机2.5传输给现场主机I ;
[0044]步骤5:现场主机I根据上述不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径(上述根据不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径的计算过程为现有技术，详见参考文献:《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。)，现场主机I将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔5周围不同半径围岩9的视电阻率图谱(上述并将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔5周围不同半径围岩9的视电阻率图谱的过程为现有技术，详见参考文献:《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。)(根据电磁波在地层的“趋肤效应”理论，高频的电磁波探测距离近，低频的电磁波探测距离远；因此，通过发射不同频率的一组电磁波，可以探测并生成钻孔周围不同半径的地层视电阻率图谱。)；
[0045]步骤6:根据步骤5中得到的视电阻率图谱，推断探头2周围空间内是否存在低阻体异常，如果存在低阻体异常，则根据低阻体异常结果来分析探头2周围空间内是否有含水体或含水地质构造(如果钻孔周围生成的视电阻率图谱有低电阻率区域，再根据钻孔周围的地质资料一起分析造成低电阻率区域的原因来推断是否有含水体);(上述根据低阻体异常结果来分析探头2周围空间内是否有含水体或含水地质构造的过程为现有技术，详见参考文献:《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。)。
[0046]步骤7:利用推杆4将探头2由待测钻孔5孔口向孔底逐步推进，并利用步骤2?步骤6所述的待测钻孔超前探测方法对待测钻孔5进行逐点扫描探测，生成由待测钻孔5孔口至孔底所有探测点的视电阻率图谱。
[0047]上述技术方案的步骤7中，将探头2由待测钻孔5孔口向孔底逐步推进的步距为I?2米。
[0048]上述技术方案中，所述探头2与待测钻孔5同轴布置，所述步骤6中，根据步骤4中得到的视电阻率图谱，推断探头2所在位置处以待测钻孔5为中心轴线，半径为30?50米的圆柱体空间范围内是否存在低阻体异常。
[0049]所述探测电磁波的频率范围为50kHz?1kHz，所述响应电磁波的频率范围为50kHz?IkHz,所述探测半径为0.5?50米。
[0050]具体实施过程中:发射50kHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为500欧姆/米，探测半径为0.5米；发射40kHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为550欧姆/米，探测半径为2.0米；发射30kHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为530欧姆/米，探测半径为6.5米；发射20kHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为510欧姆/米，探测半径为10.5米；发射IOkHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为500欧姆/米，探测半径为20.1米；发射5kHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为200欧姆/米，探测半径为30.0米；发射2.5kHz电磁波时，计算视电阻率为150欧姆/米，探测半径为35.5米；发射IkHz电磁波时，接收的响应电磁信号计算视电阻率为600欧姆/米，探测半径为48.5米；通过发射8个不同频率的电磁波进行探测，接收的响应电磁信号生成钻孔探测不同半径的视电阻率图谱，在钻孔半径30?40米范围左右有一个低阻区域，再根据地质资料一起推断是否有含水体存在。
[0051]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】
1.一种单孔电磁波层析成像超前探测装置，其特征在于:它包括现场主机(1)，探头(2)，设置在探头(2)内的发射线圈(2.1)、接收线圈(2.2)、发射电路(2.3)、接收电路(2.4)、单片机(2.5)、电池(2.6)、探头网口(2.7)，其中，所述发射电路(2.3)的信号输出端与发射线圈(2.1)的信号输入端连接，接收电路(2.4)的信号输入端与接收线圈(2.2)的信号输出端连接，所述发射电路(2.3)和接收电路(2.4)的通信端均与单片机(2.5)的通信端连接，所述单片机(2.5)的数据通信端通过探头网口( 2.7 )与现场主机(I)的数据通信端连接，所述电池(2.6)分别向发射电路(2.3)、接收电路(2.4)和单片机(2.5)供电； 所述发射电路(2.3)和发射线圈(2.1)能在单片机(2.5)的控制下向待测钻孔(5)周围发射不同频率的探测电磁波，所述接收电路(2.4)和接收线圈(2.2)用于接收待测钻孔(5)周围对探测电磁波的响应电磁波信号，该响应电磁波信号具有与探测电磁波相对应的多个不同频率； 所述单片机(2.5)能将响应电磁波信号数字化处理，并将数字化处理后的响应电磁波信号通过探头网口(2.7)输送到现场主机(1)，所述现场主机(I)用于根据不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径，并将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔(5)周围不同半径围岩(9)的视电阻率图谱。
2.根据权利要求1所述的单孔电磁波层析成像超前探测装置，其特征在于:它还包括发射线圈三角柱形安装座(6)和接收线圈三角柱形安装座(7)，发射线圈(2.1)和接收线圈(2.2)均有三组，所述三组发射线圈(2.1)分别设置在发射线圈三角柱形安装座(6 )的三个侧面上，所述三组接收线圈(2.2)分别设置在接收线圈三角柱形安装座(7)的三个侧面上。
3.根据权利要求2所述的单孔电磁波层析成像超前探测装置，其特征在于:所述发射线圈三角柱形安装座(6)和接收线圈三角柱形安装座(7)均为环氧棒材安装座。
4.根据权利要求1所述的单孔电磁波层析成像超前探测装置，其特征在于:它还包括设置在探头(2 )尾端的推杆(4 )。`
5.根据权利要求1所述的单孔电磁波层析成像超前探测装置，其特征在于:所述现场主机(I)包括中央处理器(1.1)、存储器(1.2)、人机交互设备(1.3)、主机网口(1.4)和系统总线(1.5)，其中，所述存储器(1.2)、人机交互设备(1.3)和中央处理器(1.1)均与系统总线(1.5)连接，所述系统总线(1.5)通过主机网口(1.4)连接探头网口(2.7)。
6.一种利用权利要求1~5任意一项所述单孔电磁波层析成像超前探测装置进行待测钻孔超前探测的方法，其特征在于，它包括如下步骤: 步骤1:将探头(2)置于待测钻孔(5)孔口 ； 步骤2:现场主机(I)通过单片机(2.5)控制发射电路(2.3)使发射线圈(2.1)发射不同频率的探测电磁波； 步骤3:不同频率的探测电磁波在待测钻孔(5)内形成不同频率的响应电磁波，接收线圈(2.2)接收上述不同频率的响应电磁波，并将该不同频率的响应电磁波传输给接收电路(2.4)； 步骤4:接收电路(2.4)对接收到的不同频率的响应电磁波进行信号预处理，并将不同频率的响应电磁波转换为不同频率的响应电磁波数字信号，接收电路(2.4)将所述不同频率的响应电磁波数字信号通过单片机(2.5)传输给现场主机(I)；步骤5:现场主机(I)根据上述不同频率的响应电磁波数字信号和对应的频率计算得到各个频率的探测电磁波响应的视电阻率值和相应频率的探测半径，现场主机(I)将所有不同频率的探测电磁波以及与各个探测电磁波频率对应的视电阻率值和相应频率的探测半径生成待测钻孔(5)周围不同半径围岩(9)的视电阻率图谱； 步骤6:根据步骤5中得到的视电阻率图谱，推断探头(2)周围空间内是否存在低阻体异常，如果存在低阻体异常，则根据低阻体异常结果来分析探头(2)周围空间内是否有含水体或含水地质构造，这样就实现了待测钻孔的超前探测。
7.根据权利要求6所述的待测钻孔超前探测的方法，其特征在于:所述步骤6后还包括步骤7:将探头(2)由待测钻孔(5)孔口向孔底逐步推进，并利用步骤2~步骤6所述的待测钻孔超前探测方法对待测钻孔(5)进行逐点扫描探测，生成由待测钻孔(5)孔口至孔底所有探测点的视电阻率图谱。
8.根据权利要求7所述的待测钻孔超前探测的方法，其特征在于:所述步骤7中，将探头(2)由待测钻孔(5)孔口向孔底逐步推进的步距为I~2米。
9.根据权利要求6所述的待测钻孔超前探测的方法，其特征在于:所述探头(2)与待测钻孔(5)同轴布置，所述步骤6中，根据步骤4中得到的视电阻率图谱，推断探头(2)所在位置处以待测钻孔(5)为中心轴线，半径为30~50米的圆柱体空间范围内是否存在低阻体异常。
10.根据权利要求6所述的待测钻孔超前探测的方法，其特征在于:所述探测电磁波的频率范围为50kHz~IkHz，所述响应 电磁波的频率范围为50kHz~IkHz，探测半径为0.5~50米。
【文档编号】G01V3/30GK103630946SQ201310637406
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】武强, 刘春生, 胡加斌, 刘鎏 申请人:武汉长盛煤安科技有限公司