CN104714256A - 基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统及其检测方法,具体为检测系统和与之相适应的检测方法和施工流程。旨在检测井筒施工或使用过程中常见的井壁破裂、壁内空腔、壁厚问题、壁后空洞等病害，为后续改进方案或补救措施提供依据，预防危害发生。相对于探地雷达和超声波法两种常用的检测技术，本发明效益显著，优越性主要体现为：非接触式测量，施工简便灵活；三分量接收探头，保证了探测的空间分辨能力；滑车装置，无线通信，可实现快速扫描式检测；非金属结构，贴壁式布置，能有效远离或避开周边干扰原，以便提供信噪比；仪器设备采用防尘防水设计，可保证在恶劣条件下连续稳定工作；兼顾了井筒施工条件，安全系数高。

Description

基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及井筒混凝土井壁及壁后检测和地球物理无损检测领域，特别涉及基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统及其检测方法。

背景技术

为改善我国浅部煤炭资源渐趋枯竭的现状，很多地区正在进行深部煤炭开发。在深部煤炭新井开发建设时井筒往往需要穿过深厚含水松散层，目前通常采用冻结法进行新井建设。立井筒作为整个矿山的咽喉要道，其质量和稳定性好坏将直接关系到整个矿井的生产和安全。井壁作为矿山立井的重要维护结构，目前大多采用钢筋混凝土或混凝土结构，因此井筒周围可分为三带即：井壁、壁后充填带、壁后围岩。然而，在井筒施工过程中，难免会出现由于混凝土浇筑不密实造成的空腔，或壁厚变化等结构缺陷，而且随着地压的增大、温度的变化及地质条件越来越复杂等因素，井壁中常伴生一些裂缝，在各种竖向横向应力等作用下，这些裂缝会持续发育甚至连通，导致井壁出现破裂，形成导水通道。在井筒开挖过程中，由于施工扰动，围岩应力重新分布，致使井筒围岩产生一定的松动范围，内部裂隙发育。围岩井壁间常采用水泥浆进行充填加固，若充填不密实，易造成空洞。松散层水，尤其是地下高承压水，将沿围岩松动圈，壁后空隙等通道进入井筒，给生产施工安全带来威胁。因此亟需采用有效技术对井壁结构缺陷、破裂问题、壁后空洞等病害进行探查，以指导注浆充填加固，为井筒安全提供技术保障。

目前井筒质量检测方法常用的有探地雷达和超声波法，其中雷达法对井壁内部缺陷及壁后空洞检测效果较好，但由于井筒内罐笼，井架及各种管道对电磁波产生干扰，对剖面的解释工作带来一定的影响，并且井筒是封闭型的，使得电磁波在井筒内产生多次反射，对雷达图像也造成一定的影响(参考文献：潘冬明等.探地雷达在井壁注浆及其效果检测中的应用.2007，35（2）：25-26.)；超声波法多用于井壁混凝土强度、均一性检测，井壁浅层裂隙探查等，虽然其探测精度相对较高，但穿透深度有限，换能器需要通过介质与井壁耦合，对施工条件要求较高，不利于大规模开展。同时由于井筒检测环境恶劣，常伴随滴淋水，空气潮湿，要求检测设备具有较高的防水防潮性能；检测人员需要利用承台（吊盘或罐笼）进行施工，承台上的绳索或支架有所阻碍，且具有一定危险性，要求仪器小巧便携，连接使用方便，最好可以省去线缆采用无线方式；检测工作量较大，需要采用更加智能化的仪器设备，以提高效率。

发明内容  

本发明的目的就是为了解决上述背景技术中存在的问题和传统检测方法存在的不足，基于瞬变电磁法，提出一种测量方法简单、快速有效的井壁及壁后检测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统，由手持机和瞬变电磁滑车构成；所述瞬变电磁滑车包括滚轮计数器、和设于滑车上的发射-接收机、撑杆、接收探头和发射线圈；所述发射-接收机采用内部电池供电，经线缆与滚轮计数器连接，实现供电和通信；所述发射线圈采用单匝或多匝螺旋回绕形式，粘固于滑车平板上；所述接收探头嵌入发射线圈中间，两者组合成中心回线测量装置，并均通过线缆连到发射接-收机相应端口；所述手持机与发射-接收机无线通信。

所述瞬变电磁滑车采用非金属材料加工制作，长度小于50cm；所述发射线圈的长宽尺寸小于30cm；所述接收探头为三分量接收探头，其尺寸小于20cm。

所述撑杆为伸缩式、可拆卸结构。所述端口采用航空插头/插座。

本发明的另一目的是提供基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统的测量方法，包括下述步骤：

（1）确定检测区域，根据出现病害的区域或需要重点探查的区域而划定，同时要分析病害原因或潜在病害，确保检测具有侧重点和针对性；

（2）明确检测目的，根据检测目的和井筒施工条件进行设计，采用沿井壁径向或轴向布置测线；

（3）设计检测布置方案，根据病害发育规模确定布置测点间距，尺寸越小，测点间距相应调小，尺寸越大，测点间距相应调大，间距为发射线圈尺寸的1/5至1/2之间；

（4）安装检测设备，设置测量参数，进行采集，并进行相关记录；

（5）测量完成后进行即时简单处理分析或进行内业精确处理分析和解释。

进一步，步骤（4）中，将撑杆安装在滑车瞬变电磁装置上，使其稳定牢固，并调节撑杆长度，使滑车装置紧贴井壁为宜，手持机与发射-接收机通过WIFI进行无线通信；

进一步，步骤（4）中，设置测量参数时需要将采集方式设为距离触发自动采集模式，触发距离即为实际测点间距，可实现快速扫描式自动采集；

进一步，步骤（4）中，需要对所测异常数据、所检测区域的井壁状况和现场干扰情况进行记录，以便后续进行处理分析；

进一步，步骤（5）中，即时处理分析将提供径向或轴向电压剖面和简易电阻率剖面，室内精细处理结果将提供径向或轴向电阻率等值线图，对照井筒剖面进行解释。

本发明的有益效果：依托瞬变电磁探测原理，结合工程需求，纳入新型仪器和传感器装置作为技术支撑，并采用与之相适应的施工方法，实现混凝土井壁缺陷检测目的，本发明具有以下几个优点：

（1）瞬变电磁法为非接触式感应测量，采用贴壁式方式，无需耦合介质，施工布置相对灵活；

（2）瞬变电磁法具有较好的横向分辨率，增加为三分量探头接收，可以充分获取井壁及壁后结构的电性信息，有助于提供纵向分辨能力；

（3）采用滑车式装置，可以实现定距自动快速扫描式测量，检测效率大为提升；

（4）滑车装置基本全为非金属材料，贴壁式测量可避开井筒内的金属干扰，可以获取较高质量的响应信号；

（5）采用WIFI无线通信，可以省去连线造成的困扰，装置小巧轻便，施工简单；

（6）检测设备均为防水防尘，防护等级为IP54，所有外部接插端口均采用航空插座/头，以保障在恶劣条件下仪器的稳定性；

（7）在滑车装置上增加撑杆，撑杆伸缩式、可拆卸，检测人员可在安全距离外进行贴壁式测量，提高了施工的安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明检测系统结构示意图；

图2是本发明检测施工布置结构示意图；

图3是本发明轴向测线检测示意图；

图4是本发明径向测线检测示意图。                       

图中，1.手持机，2.瞬变电磁滑车，3.滚轮计数器，4.发射-接收机，5.撑杆（带把手，伸缩式、可拆卸），6.接收探头（三分量），7.发射线圈，8.井壁，9.轴向测线，10.径向测线，11.测量点，12.壁后充填带，13.壁后围岩，14.吊盘。

具体实施方式

当井壁出现破裂或内部存在空腔，壁后因注浆不完全导致存在空洞，尤其是病害体内部含导水时，将引起井壁及壁后横向和纵向的电性特征发生变化，这就为对介质体电性差异敏感的瞬变电磁法提供了良好的地球物理探查基础。本发明将瞬变电磁法作为检测手段，对井壁及壁后缺陷进行检测。技术方案如下：

（1）检测系统安装与连接；如图1所示，检测系统由手持机1和瞬变电磁滑车2两大部分构成，手持机1与发射-接收机4通过WIFI通信，无需线缆，瞬变电磁滑车2上设滚轮计数器3、发射-接收机4、撑杆5、接收探头6（采用三分量接收探头）和发射线圈7，其中撑杆为伸缩式、可拆卸结构，其余部件均安装固定在滑车上，做成整体结构。

滑车基本采用非金属材料加工制作，长度小于50cm，固定结构件也为非金属材料；发射-接收机采用内部电池供电，并与滚轮计数器采用线缆连接，实现供电和通信；发射线圈采用单匝或多匝螺旋回绕形式，尺寸小于30cm，具有自感小，电流关断短的优点，并用硅胶粘固于滑车平板上；采用三分量磁探头作为接收，尺寸小于20cm，具有动态范围大，灵敏度高的特点，探头嵌入发射线圈中间，组合成为中心回线测量装置；发射线圈和探头均通过线缆连到发射接收机相应端口，端口采用航空插头/插座；检测设备关键部件均采用IP54防护等级，确保在恶劣环境中能够稳定工作。

（2）检测布置方案设计；如图2所示，可沿井壁8内侧布置轴向测线9或径向环形测线10，测量点11对应接收探头6中心投影。

如果井壁8内侧安装有管道、线缆等难以移走的物体，相对分散，且承台为罐笼形式，宜采用轴向测线9形式，如图3所示，可沿下向或上向；

如果井壁8内侧没有安装管道、线缆等或这些物体容易移走，又或其在井壁内侧的分布位置相对集中，且承台为吊盘形式，宜采用径向环形测线10形式，如图4所示，可沿顺时针或逆时针方向；

测量点11间距应根据所要检测病害的尺寸而定，尺寸大，测点间距相应调大，尺寸小测点间距相应调小，但一般在发射线圈尺寸的1/5至1/2之间。

（3）检测设备组装，测量参数设置，数据采集：将撑杆5安装在滑车装置对应位置，并根据需要调节其长度，设置测量参数时要采用距离触发自动采集模式，触发距离按实际设计测点间距修改，明确测线编号和测点递增顺序，其他参数按照所需测试修改。

数据采集时，检测人员需要两人，一人负责操作手持机，另一人负责操作、移动滑车瞬变装置，滑车装置由撑杆支撑平贴于井壁内侧，并确保滑动过程要平稳连续，二人协调配合。

如果采用轴向测线9方式，承台应匀速下降或提升，或者分段进行检测，即承台悬吊于某一位置，检测完该段后再移到下一位置，如此往复，注意逐点逐线依次扫描测量，最后可按测点、测线号进行数据拼接。

如果采用径向环形测线10方式，需要按照环形测线逐点检测，完成后调整承台高度，进行其他测线检测，如此往复；

在数据采集过程中，要进行相应记录，比如某测线-测点数据的质量，检测区域井壁状况（破裂程度，出水情况等）。

在某测点进行数据采集时，滑车装置要尽可能保持静止，该点数据采集完成后，方可贴壁平滑至下一测点，按照此方式完成所有测点检测。

（4）数据处理与分析解释；检测结果将同时提供径向或轴向电压剖面和视电阻率剖面，便于对照井筒剖面进行分析解释。

上述仅为本发明的实施例而已，对本领域的技术人员来说，本发明有多种更改和变化。凡在本发明的发明思想和原则之内，作出任何修改，等同替换，改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统，其特征在于：由手持机（1）和瞬变电磁滑车（2）构成；所述瞬变电磁滑车（2）包括滚轮计数器（3）、发射-接收机（4）、撑杆（5）、接收探头（6）和发射线圈（7）；所述发射-接收机（4）采用内部电池供电，经线缆与滚轮计数器（3）连接，实现供电和通信；所述发射线圈（7）采用单匝或多匝螺旋回绕形式，粘固于滑车平板上；所述接收探头（6）嵌入发射线圈（7）中间，两者组合成中心回线测量装置，并均通过线缆连到发射接收机相应端口；所述手持机（1）与发射-接收机（4）无线通信。

2.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统，其特征在于：所述瞬变电磁滑车（2）采用非金属材料加工制作，长度小于50cm；所述发射线圈（7）的长宽尺寸小于30cm；所述接收探头（6）为三分量接收探头，其尺寸小于20cm。

3.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统，其特征在于：所述撑杆为伸缩式、可拆卸结构。

4.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁法的井壁及壁后快速无损检测系统，其特征在于：所述端口采用航空插头/插座。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统的检测方法，其特征在于：包括下述步骤：

（1）确定检测区域，根据出现病害的区域或需要重点探查的区域而划定，同时要分析病害原因或潜在病害，确保检测具有侧重点和针对性；

（2）明确检测目的，根据检测目的和井筒施工条件进行设计，采用沿井壁径向或轴向布置测线；

（3）设计检测布置方案，根据病害发育规模确定布置测点间距，尺寸越小，测点间距相应调小，尺寸越大，测点间距相应调大，间距为发射线圈尺寸的1/5至1/2之间；

（4）安装检测设备，设置测量参数，进行采集，并进行相关记录；

（5）测量完成后进行即时处理分析或解释。

6.根据权利要求5所述的系统的检测方法，其特征在于：步骤（4）中，将撑杆安装在瞬变电磁滑车上，使其稳定牢固，并调节撑杆长度，使瞬变电磁滑车紧贴井壁，手持机与发射-接收机通过WIFI进行无线通信。

7.根据权利要求5所述的系统的检测方法，其特征在于：步骤（4）中，设置测量参数时需要将采集方式设为距离触发自动采集模式，触发距离即为实际测点间距，实现快速扫描式自动采集。

8.根据权利要求5所述的系统的检测方法，其特征在于：步骤（4）中，需要对所测异常数据、所检测区域的井壁状况和现场干扰情况进行记录，以便后续进行处理分析。

9.根据权利要求5所述的系统的检测方法，其特征在于：步骤（5）中，即时处理分析将提供径向或轴向电压剖面和简易电阻率剖面，室内精细处理结果将提供径向或轴向电阻率等值线图，对照井筒剖面进行解释。