CN110244368A - 一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置及方法，该装置包括：壳体和安装于所述壳体内部的接收装置、发射装置、屏蔽装置和推进装置；所述接收装置设置于所述壳体内部前端，所述发射装置位于所述接收装置后方预设距离处；所述屏蔽装置为空心柱体，设置在所述发射装置外周；所述推进装置与所述屏蔽装置驱动连接。该探测装置基于电磁感应原理，结构简单、在钻孔中采用发射装置发射一次场，利用接收装置获取孔壁外围地质体电磁场响应特征，并对非探测方向电磁信号进行屏蔽，以达到指向性探测目的，且不受巷道中金属的干扰，可准确探测孔壁外围的地质体分布情况。
Description
技术领域
本发明涉及矿井地球物理技术领域，特别涉及一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置及方法。
背景技术
矿井巷道掘进时经常受到来自前方的断层、陷落柱及采空区等隐蔽导水地质构造的威胁，如何准确探明掘进巷道前方的含水地质体是保障巷道安全掘进的关键。目前，矿井掘进巷道水害超前探测方法包括钻探法和地球物理方法。
其中钻探法具有探测结果直观、准确的特点，但其施工周期长，工作效率低，探测范围仅是“一孔之见”，无法获得钻孔孔壁外围的地质信息；
矿井地球物理方法包括矿井瞬变电磁法、矿井直流电阻率法、矿井地质雷达、巷道－钻孔瞬变电磁法和测井等。但常规矿井瞬变电磁法探测装置偏大，只能在巷道中施工，且受金属干扰严重。矿井直流电阻率法布置接地电极较为麻烦，施工效率较低。矿井地质雷达低频探测天线较长，在井下有限空间难以开展，且无法识别地质体的富水性。巷道—钻孔瞬变电磁法采用井中发射，钻孔内接收的方式，其发射装置为常规的线圈，受巷道中金属干扰较大，且该方法不具有探测方向性。地球物理测井方法较多，装置类型多，例如随钻电磁法等，但地球物理测井方法只能获取孔壁的地质信息，无法获得孔壁外围的地质体分布情况。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置及方法，基于电磁感应原理，可获得孔壁外围的地质体分布情况，以达到指向性探测目的。
第一方面，本发明实施例提供一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，包括：壳体和安装于所述壳体内部的接收装置、发射装置、屏蔽装置和推进装置；
所述接收装置设置于所述壳体内部前端，所述发射装置位于所述接收装置后方；
所述屏蔽装置为一侧开口的空心柱体，设置在所述发射装置外周；
所述推进装置与所述屏蔽装置驱动连接。
进一步地，所述壳体内部具有空心高强塑料壳；
所述空心高强塑料壳外侧面，靠近后端具有第一环形凹槽；在所述第一环形凹槽内绕制多匝线圈，形成发射磁芯线圈；
在所述空心高强塑料壳后端插入第一铁氧体磁芯；
所述第一铁氧体磁芯的长度与所述第一环形凹槽的长度相同；
所述发射磁芯线圈与所述第一铁氧体磁芯，构成所述发射装置。
进一步地，所述空心高强塑料壳外侧面，靠近前端具有第二环形凹槽；在所述第二环形凹槽内绕制多匝线圈，形成接收磁芯线圈；
在所述空心高强塑料壳前端插入第二铁氧体磁芯；
所述第二铁氧体磁芯的长度与所述第二环形凹槽的长度相同；
所述接收磁芯线圈与所述第二铁氧体磁芯，构成所述接收装置。
进一步地，所述壳体内还包括支架；所述支架与所述壳体内壁固定连接；
所述支架中间具有连接孔，所述空心高强塑料壳穿过所述连接孔。
进一步地，所述屏蔽装置为空心柱形的坡莫合金屏蔽罩薄片，侧面具有开口，后面带有空心轴；所述空心轴与所述推进装置连接。
进一步地，所述屏蔽罩薄片长度为所述第一铁氧体磁芯长度的2倍。
进一步地，所述推进装置包括：推进杆、步进电机和与所述步进电机连接的旋转轴；
所述推进杆前端安装所述步进电机；所述推进杆后方与所述壳体后端螺纹连接；
所述旋转轴与所述空心轴连接。
进一步地，所述壳体由高强塑料制成，前端具有锥形高强塑料盖。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测方法，包括：
步骤1，依据地质参数，合理设置施工参数；所述施工参数包括扫描探测角度间隔和点距；
步骤2，将上述任一项实施例的基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，放置于超前探查钻孔中，开始采集数据；向带有屏蔽罩的发射磁芯线圈供电，激励的一次场向孔壁外围传播，关断后孔壁外围地质体受激发产生二次场，利用磁芯线圈接收二次场信号；
步骤3，步进电机带动屏蔽罩旋转预设角度间隔至下一个刻度方向，其余装置保持不动，继续采集数据，依据步进电机旋转的次数记录当前扫描探测方向，依次进行各刻度方向的指向性探测，直至旋转完成360°扫描探测，并记录此时的钻孔进尺；
步骤4，沿着超前探查钻孔，将所述基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，平行向孔内推进至下一个测点，从0°开始探测，重复步骤2和3，直至完成钻孔中所有测点的扫描探测。
本发明实施例提供的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，包括：壳体和安装于所述壳体内部的接收装置、发射装置、屏蔽装置和推进装置；所述接收装置设置于所述壳体内部前端，所述发射装置位于所述接收装置后方预设距离处；所述屏蔽装置为空心柱体，设置在所述发射装置外周；所述推进装置与所述屏蔽装置驱动连接。该探测装置基于电磁感应原理，结构简单、在钻孔中采用发射装置发射一次场，利用接收装置获取孔壁外围地质体电磁场响应特征，并对非探测方向电磁信号进行屏蔽，不受巷道中金属的干扰，以达到指向性探测目的，可准确探测孔壁外围的地质体分布情况。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置结构图。
图2为本发明实施例提供的探测装置内部的空心高强塑料壳6的结构图。
图3为本发明实施例提供的探测装置内部的装置连接示意图。
图4为本发明实施例提供的探测装置内部支架示意图。
图5为本发明实施例提供的探测装置内部的屏蔽装置4的结构图。
图6为本发明实施例提供的探测装置内部的推进装置5的结构图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1所示，本发明实施例提供的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，包括：壳体1和安装于壳体1的接收装置2、发射装置3、屏蔽装置4和推进装置5；壳体1由硬质高强塑料制成，可满足在矿井巷道环境中使用的材质均可，本发明实施例对此不做限定。该壳体1前端具有锥形高强塑料盖11，用于封闭整个探测装置，防止钻孔内岩屑或冲洗液进入探测装置内部。
其中，接收装置2设置于壳体1内部前端，发射装置3位于接收装置2后方；屏蔽装置4为一侧开口的空心柱体，设置在发射装置3外周；对非探测信号进行屏蔽，不受巷道中金属干扰。该推进装置5与屏蔽装置4驱动连接。
该探测装置基于电磁感应原理，结构简单、在钻孔中采用发射装置发射一次场，利用接收装置获取孔壁外围地质体电磁场响应特征，并对非探测方向电磁信号进行屏蔽，以达到指向性探测目的，且不受巷道中金属的干扰，可准确探测孔壁外围的地质体分布情况。在使用时，仅需一个钻孔即可获得孔外地质体分布特征，不仅能提高钻孔利用率，还可以指导探放水钻孔布置，保障矿井巷道安全掘进。
进一步地，在上述壳体1内部具有空心高强塑料壳6；具有一定长度，该空心高强塑料壳6后端为发射装置3，前端为接收装置2。
其中：参照图2所示，在空心高强塑料壳6外侧面，靠近后端具有第一环形凹槽61；靠近前端具有第二环形凹槽64。
参照图3所示，在第一环形凹槽61内绕制多匝线圈，形成发射磁芯线圈62；在空心高强塑料壳6后端紧固插入第一铁氧体磁芯63；第一铁氧体磁芯63的长度与第一环形凹槽61的长度相同；该发射磁芯线圈62与第一铁氧体磁芯63，构成发射装置3。
在第二环形凹槽64内绕制多匝线圈，形成接收磁芯线圈65；在空心高强塑料壳6前端紧固插入第二铁氧体磁芯66；第二铁氧体磁芯66的长度与第二环形凹槽64的长度相同；该接收磁芯线圈65与第二铁氧体磁芯66，构成接收装置2。
本实施例中，采用磁芯线圈作为激励源，可有效增大一次场信号强度。
进一步地，参照图3-4所示，该壳体1内还包括支架7；支架7与壳体1内壁固定连接；支架7位于该壳体1内部的中间位置；其中，支架7中间具有连接孔71，该空心高强塑料壳6穿过连接孔71。在支架的作用下，使发射装置3与接收装置2的轴线与外部壳体一致，也保证发射装置3与接收装置2在壳体1内的位置固定。
具体实施时，比如可将整个空心高强塑料壳6插入支架7的连接孔71中，保证支架位于高强塑料壳中间，并用强力胶粘合。
进一步地，参照图5所示，屏蔽装置4为空心柱形的坡莫合金屏蔽罩薄片，侧面具有一定角度开口，后底面带有空心轴41，前面敞开，无遮挡。
屏蔽罩长度是第一铁氧体磁芯63的2倍。用于对发射磁芯线圈激励的非探测方向的电磁场信号进行屏蔽，降低其他方向的干扰，由另一磁芯线圈接收地质体受激发产生的二次场，达到指向性探测。
其中，该空心轴41与推进装置5连接。
进一步地，参照图6所示，该推进装置5包括：推进杆51、步进电机52和与步进电机52连接的旋转轴53；在推进杆51前端安装步进电机52，推进杆51后方与壳体1后端螺纹连接；旋转轴53与空心轴41连接，实现带动屏蔽罩旋转。
本实施例中，步进电机的旋转轴与屏蔽罩后端的空心轴稳固相连，在钻孔中带动屏蔽罩旋转，其余装置固定不动。将推进杆前端与探测装置后端相连，推动探测装置向孔内移动。步进电机设置某一固定旋转角度，初始探测方向的屏蔽罩开口竖直向上。步进电机未旋转时，屏蔽罩开口竖直向上，记为0°方向。推进杆与高强塑料外壳的后端通过内部螺纹紧固相连，用于推进扫描探测装置在钻孔内移动。该扫描探测装置，是在近水平超前探查钻孔内工作，钻孔直径比扫描探测装置大10-20mm。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测方法，包括：
步骤1，依据地质参数，合理设置施工参数；所述施工参数包括扫描探测角度间隔和点距；
步骤2，将权利要求1-8任一项所述的基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，放置于超前探查钻孔中，开始采集数据；向带有屏蔽罩的发射磁芯线圈供电，激励的一次场向孔壁外围传播，关断后孔壁外围地质体受激发产生二次场，利用磁芯线圈接收二次场信号；
步骤3，步进电机带动屏蔽罩旋转预设角度间隔至下一个刻度方向，其余装置保持不动，继续采集数据，依据步进电机旋转的次数记录当前扫描探测方向，依次进行各刻度方向的指向性探测，直至旋转完成360°扫描探测，并记录此时的钻孔进尺；若某方向异常体响应幅度较大，可对扫描角度进行加密，保证充足数据量及高分辨率；
步骤4，沿着超前探查钻孔，将所述基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，平行向孔内推进至下一个测点，从0°开始探测，重复步骤2和3，直至完成钻孔中所有测点的扫描探测。
本实施例中，具体实施时，在钻孔内依据探测目标体特征，合理设置单点扫描探测角度间隔和点距，采用偶极-偶极装置形式，以磁芯线圈作为发射源激励一次场，并对非探测方向的信号进行屏蔽，利用另一磁芯线圈在钻孔中接收孔壁外围地质体受激发产生的二次场。对每个测点均从0°开始，按各角度方向完成360°指向性探测，再逐点完成整个钻孔的扫描探测。
仅需一个钻孔即可获得孔外地质体分布特征，不仅能提高钻孔利用率，还可以指导探放水钻孔布置，保障矿井巷道安全掘进。其中，采用磁芯线圈作为激励源，解决了钻孔中小线圈激励信号弱的缺陷。在发射磁芯线圈上安装开口的坡莫合金屏蔽罩，对非探测信号进行屏蔽，能够突出有用信号，降低其他方向的干扰，可实现指向性探测。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，包括：壳体(1)和安装于所述壳体(1)内部的接收装置(2)、发射装置(3)、屏蔽装置(4)和推进装置(5)；
所述接收装置(2)设置于所述壳体(1)内部前端，所述发射装置(3)位于所述接收装置(2)后方；
所述屏蔽装置(4)为一侧开口的空心柱体，设置在所述发射装置(3)外周；
所述推进装置(5)与所述屏蔽装置(4)驱动连接。
2.如权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述壳体(1)内部具有空心高强塑料壳(6)；
所述空心高强塑料壳(6)外侧面，靠近后端具有第一环形凹槽(61)；在所述第一环形凹槽内绕制多匝线圈，形成发射磁芯线圈(62)；
在所述空心高强塑料壳(6)后端插入第一铁氧体磁芯(63)；
所述第一铁氧体磁芯(63)的长度与所述第一环形凹槽(61)的长度相同；
所述发射磁芯线圈(62)与所述第一铁氧体磁芯(63)，构成所述发射装置(3)。
3.如权利要求2所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述空心高强塑料壳(6)外侧面，靠近前端具有第二环形凹槽(64)；在所述第二环形凹槽(64)内绕制多匝线圈，形成接收磁芯线圈(65)；
在所述空心高强塑料壳(6)前端插入第二铁氧体磁芯(66)；
所述第二铁氧体磁芯(66)的长度与所述第二环形凹槽(64)的长度相同；
所述接收磁芯线圈(65)与所述第二铁氧体磁芯(66)，构成所述接收装置(2)。
4.如权利要求3所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述壳体(1)内还包括支架(7)；所述支架(7)与所述壳体(1)内壁固定连接；
所述支架(7)中间具有连接孔(71)，所述空心高强塑料壳(6)穿过所述连接孔(71)。
5.如权利要求3所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述屏蔽装置(4)为空心柱形的坡莫合金屏蔽罩薄片，侧面具有开口，后面带有空心轴(41)；所述空心轴(41)与所述推进装置(5)连接。
6.如权利要求5所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述屏蔽罩薄片长度为所述第一铁氧体磁芯(63)长度的2倍。
7.如权利要求5所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述推进装置(5)包括：推进杆(51)、步进电机(52)和与所述步进电机(52)连接的旋转轴(53)；
所述推进杆(51)前端安装所述步进电机(52)；所述推进杆(51)后方与所述壳体(1)后端螺纹连接；
所述旋转轴(53)与所述空心轴(41)连接。
8.如权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，其特征在于，所述壳体(1)由高强塑料制成，前端具有锥形高强塑料盖(11)。
9.一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测方法，其特征在于，包括：
步骤1，依据地质参数，合理设置施工参数；所述施工参数包括扫描探测角度间隔和点距；
步骤2，将权利要求1-8任一项所述的基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，放置于超前探查钻孔中，开始采集数据；向带有屏蔽罩的发射磁芯线圈供电，激励的一次场向孔壁外围传播，关断后孔壁外围地质体受激发产生二次场，利用磁芯线圈接收二次场信号；
步骤3，步进电机带动屏蔽罩旋转预设角度间隔至下一个刻度方向，其余装置保持不动，继续采集数据，依据步进电机旋转的次数记录当前扫描探测方向，依次进行各刻度方向的指向性探测，直至旋转完成360°扫描探测，并记录此时的钻孔进尺；
步骤4，沿着超前探查钻孔，将所述基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置，平行向孔内推进至下一个测点，从0°开始探测，重复步骤2和3，直至完成钻孔中所有测点的扫描探测。
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