CN111948645A - 煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，它包括随钻雷达主机、随钻雷达钻孔探头、钻杆、钻头、钻机，设置在随钻雷达钻孔探头内的发射天线、接收天线、雷达波信号发射模块、雷达波信号接收模块、单片机、第一存储器、三维电子罗盘和惯导设备，其中，随钻雷达钻孔探头的前端安装钻头，随钻雷达钻孔探头的后端安装钻杆，钻杆由钻机驱动，单片机用于根据惯导设备输出的惯导数据计算随钻雷达钻孔探头前进或后退移动的距离；本发明可对掘进巷道和隧道迎头及工作面正在钻进的钻孔进行探测，可以对钻孔周围0～30米范围内的地质构造、富水体和导水通道等有害地质体进行精细有效的探测。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理学雷达探测技术领域，具体地指一种煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置与方法。
背景技术
煤矿巷道和隧道超前探测主要是在掘进迎头利用直接或间接的方法向巷道和隧道掘进方向和工作面进行探测，探测前方是否存在有害地质构造或富水体及导水通道，为煤矿和隧道的安全掘进提供详细的探测资料。
目前用于煤矿巷道和隧道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，且存在大量勘探盲区，并对巷道和隧道的正常掘进生产影响较大。
目前可用于超前探测的物探法主要有三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法、地震波法、钻孔电法和钻孔电磁法。
随着煤矿和隧道的智能化探测的发展，当前煤矿和隧道勘探趋向于寻找小型、隐藏的地质构造，煤矿巷道和隧道的水害与瓦斯等灾害治理多由定性化向定量化发展，掘进工作面的超前探测需求等，对于物探勘探提出了探测精度高并且探测距离远的探测要求。
一般的地球物理方法是在地表或者待测表面进行的，然而由于地下或者待测体内部的结构比较复杂，仅仅依靠这些方法中所获得的数据去推断诸如岩性、地质体方位等信息就很难，这就给地质学家们提出了一个新的问题，即如何提高解释的精度。然而，井中雷达的最大特点和优势就是高分辨率和高精度；但令人遗憾的是，煤矿巷道和部分隧道围岩绝大多数是软岩，钻探过程形成的钻孔极易变形和塌孔，致使钻孔探测设备无法推进到钻孔孔底，即使仅使用钻杆推进有时也很难推进到钻孔孔底。
参考文献：《探地雷达理论与应用》2006年、科技出版社，粟毅、黄春琳、雷文太著；《探地雷达方法原理及应用》2006年、科技学出版，曾昭发等编著。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置与方法，通过该装置和方法，可对掘进巷道和隧道迎头及工作面正在钻进的钻孔进行探测，可以对钻孔周围0～30米范围内的地质构造、富水体和导水通道等有害地质体进行精细有效的探测。
为实现此目的，本发明所设计的一种煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，它包括随钻雷达主机、随钻雷达钻孔探头、钻杆、钻头、钻机，设置在随钻雷达钻孔探头内的发射天线、接收天线、雷达波信号发射模块、雷达波信号接收模块、单片机、第一存储器、三维电子罗盘和惯导设备，其中，随钻雷达钻孔探头的前端安装钻头，随钻雷达钻孔探头的后端安装钻杆，钻杆由钻机驱动，单片机用于根据惯导设备输出的惯导数据计算随钻雷达钻孔探头前进或后退移动的距离；
所述雷达波信号发射模块用于通过发射天线在单片机的控制下在各个预设探测点向待测钻孔四周发射脉冲宽频带雷达波，所述雷达波信号接收模块用于通过接收天线接收雷达探测信号，并进行数字化，所述雷达探测信号包括发射天线发射的直达雷达波信号，以及当前预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体时地质构造或含水体对脉冲宽频带雷达波反射的雷达波信号；
所述单片机通过三维电子罗盘测量钻孔的轨迹，并将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号保存到第一存储器中；
随钻雷达钻孔探头退出待测钻孔后将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到随钻雷达主机；随钻雷达主机根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻孔的雷达探测波列图和待测钻孔的轨迹图；
随钻雷达主机根据整个钻孔过程中探测的雷达波列图并依据雷达探测数据的幅值和相位变化分析各个预设探测点是否存在对应的反射雷达波信号，如果有预设探测点存在反射雷达波信号，则说明该预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体。
应用本发明可以实现对隧道、巷道掘进的钻孔进行随钻超前探测预报。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：采用本发明，实现随钻钻孔雷达探测，可以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，解决了因软岩或围岩破碎造成孔径变形或塌孔堵塞而无法使钻孔雷达探头推进进行雷达探测的问题，解决了当使用钻杆推进遇钻孔坍塌堵塞时也无法进行推进探测问题。
附图说明
图1为本发明结构部分的使用状态示意图；
图2为本发明中现场主机部分的结构框图；
图3为本发明中随钻雷达钻孔探头的结构框图。
其中，1—随钻雷达主机、1.1—中央处理器、1.2—第二存储器、1.3—人机交互设备、1.4—主机通信口、1.5—系统总线、2—随钻雷达钻孔探头、2.1—发射天线、2.2—接收天线、2.3—雷达波信号发射模块、2.4—雷达波信号接收模块、2.5—单片机、2.6—电池、2.7—探头通信口、2.8—第一存储器、2.9—三维电子罗盘、2.10—惯导设备、3—航空工程塑料钻杆、3.1—过水通道、3.2—三角形居中器、3.3—通孔、4—钻杆、5—钻头、6—钻机、7—待测钻孔、8—围岩、9—隧道或巷道。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
图1～3所示的一种煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，它包括随钻雷达主机1(设置在隧道或巷道9内)、随钻雷达钻孔探头2、钻杆4(金属钻杆)、钻头5、钻机6，设置在随钻雷达钻孔探头2内的发射天线2.1、接收天线2.2、雷达波信号发射模块2.3、雷达波信号接收模块2.4、单片机2.5、电池2.6、第一存储器2.8、三维电子罗盘2.9和惯导设备2.10，其中，电池2.6用于向单片机2.5、雷达波信号发射模块2.3、雷达波信号接收模块2.4、三维电子罗盘2.9和惯导设备2.10供电，随钻雷达钻孔探头2的前端安装钻头5，随钻雷达钻孔探头2的后端安装钻杆4，钻杆4由钻机6驱动，单片机2.5用于根据惯导设备2.10输出的惯导数据计算随钻雷达钻孔探头2前进或后退移动的距离(惯导中有加速度传感器，根据加速度的距离计算公式即可计算探头移动的距离)；随钻雷达钻孔探头2前进或后退移动的距离相当于相邻探测点之间的距离，根据设置的测点距离，当探头移动的距离达到测点距离的整数倍时随钻雷达钻孔探头2就进行探测一次；
所述雷达波信号发射模块2.3用于通过发射天线2.1在单片机2.5的控制下在各个预设探测点向待测钻孔7四周发射脉冲宽频带雷达波，所述雷达波信号接收模块2.4用于通过接收天线2.2接收雷达探测信号，并进行数字化，所述雷达探测信号包括发射天线2.1发射的直达雷达波信号(脉冲宽频带雷达波)，以及当前预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体时地质构造或含水体对脉冲宽频带雷达波反射的雷达波信号；
所述单片机2.5通过三维电子罗盘2.9测量钻孔的轨迹，并将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号保存到第一存储器2.8中；
随钻雷达钻孔探头2退出待测钻孔7后将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到随钻雷达主机1；随钻雷达主机1根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻孔7的雷达探测波列图和待测钻孔7的轨迹图；
随钻雷达主机1根据整个钻孔过程中探测的雷达波列图并依据雷达探测数据的幅值和相位变化分析各个预设探测点是否存在对应的反射雷达波信号，如果有预设探测点存在反射雷达波信号，则说明该预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体(地质构造或含水体会产生雷达反射波信号)。
上述技术方案中，所述随钻雷达钻孔探头2前进或后退移动的距离用于控制随钻雷达钻孔探头2达到各个预设探测点。
上述技术方案中，利用雷达波在待测钻孔7四周的围岩8中传播的速度和发射脉冲宽频带雷达波到接收雷达反射波的时间计算产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔7对应预设探测点的距离。
上述技术方案中，根据待测钻孔7的轨迹图确定待测钻孔7各个预设探测点在轨迹图中的坐标值；根据各个预设探测点在轨迹图中的坐标值和产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔7对应预设探测点的距离，计算出产生反射波的地质构造或含水体在探测区域的绝对坐标位置，即可确定地质构造或含水体的位置。
上述技术方案中，它还包括航空工程塑料钻杆3，所述随钻雷达钻孔探头2利用三角形居中器3.2安装到航空工程塑料钻杆3的内腔中，确保随钻雷达钻孔探头2与航空工程塑料钻杆3之间留有一个过水通道3.1，以便钻机6的打钻用水或空气能通过钻杆4内腔和过水通道3.1(钻杆4内腔与过水通道3.1之间具有通孔3.3)，确保钻进钻孔时能利用水冷却钻头5和冲洗出钻孔产生的岩屑(航空工程塑料钻杆3前侧面也具有与水通道3.1连通的通孔3.3)，航空工程塑料钻杆3的前端接钻头5，航空工程塑料钻杆3的后端接钻杆4。
上述技术方案中，所示随钻雷达钻孔探头2与航空工程塑料钻杆3同轴设置。
上述技术方案中，所有预设探测点中相邻两个预设探测点的距离相等，且相邻两个预设探测点的距离范围均为10～20cm。上述探测点的设置形式能提高超前地质构造或含水体、导水通道的探测精度。
上述技术方案中，所述脉冲宽频带雷达波的频率范围为20～200MHz。该频率能确保探测钻孔周围30米的范围地质构造或含水体、导水通道。
上述技术方案中，所述随钻雷达钻孔探头2内还包括探头通信口2.7，所述随钻雷达主机1包括中央处理器1.1、第二存储器1.2、人机交互设备1.3、主机通信口1.4和系统总线1.5，所述单片机2.5通过探头通信口2.7(蓝牙或wifi或USB)与主机通信口1.4通信，将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到系统总线1.5并存入第二存储器1.2，中央处理器1.1根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻7的雷达探测波列图和待测钻孔7的轨迹图，中央处理器1.1将保存到第二存储器1.2中钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号通过人机交互设备1.3进行显示。
任何一种地球物理探测方法都是利用介质物理性质的差异来进行探测，电阻率、介电常数、导磁率是表征介质的电磁性质的主要参数。探地雷达在地质调查、环境与工程和无损探测等领域的应用中，决定速度的主要因素是介电常数。一般岩石的介电常数较小，在4～7以内，地质构造中的介电常数一般20以上，水的介电常数是80。则雷达波在岩石中的传播速度V可以推导出如公式(1)的关系，雷达波从钻孔周围岩体介质进入到地质构造或含水体介质的雷达波反射系数如公式(2)，根据公式(2)可以推断出雷达波遇到地质构造或含水体时的反射雷达波的幅值。
其中：v为雷达波在岩体中的传播速度，ε为岩体的介电常数。
其中：n为雷达波的反射率，V1为雷达波在岩体介质中的传播速度；V2为雷达波在地质构造或含水体介质中的传播速度，ε1为一种岩体介质的介电常数，ε2为另一种岩体介质的介电常数。
雷达反射波传播距离计算公式：
其中：R为雷达反射波某一时间传播到离钻孔测点的距离；v为雷达波在岩体中的传播速度，t为雷达反射波的传播时间。
钻孔探测雷达波的波列图和钻孔轨迹图及距离计算过程为现有技术，详见参考文献：《探地雷达理论与应用》2006年、科技出版社，粟毅、黄春琳、雷文太著；《探地雷达方法原理及应用》2006年、科技学出版，曾昭发等编著。
一种基于上述装置进行煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将随钻雷达钻孔探头2置于航空工程塑料钻杆3中，航空工程塑料钻杆3的前端接钻头5，航空工程塑料钻杆3的后端接钻杆4，其整体置于待探测钻孔孔口，随钻雷达钻孔探头2通过惯导和单片机2.5计算随钻雷达钻孔探头2前进或后退的距离，使随钻雷达钻孔探头2移动距离达到各个预设探测点，雷达波信号发射模块2.3通过发射天线2.1在单片机2.5的控制下在各个预设探测点向待测钻孔7四周发射脉冲宽频带雷达波，雷达波信号接收模块2.4通过接收天线2.2接收雷达探测信号，并进行数字化，所述雷达探测信号包括发射天线2.1发射的直达雷达波信号，以及当前预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体时地质构造或含水体对脉冲宽频带雷达波反射的雷达波信号；
步骤2：所述单片机2.5通过三维电子罗盘2.9测量钻孔的轨迹，并将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号保存到第一存储器2.8中；
步骤3：随钻雷达钻孔探头2退出待测钻孔7后将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到随钻雷达主机1；随钻雷达主机1根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻孔7的雷达探测波列图和待测钻孔7的轨迹图(轨迹图是用轨迹数据生成的图像，即用图形化的坐标点表示轨迹)；
步骤4：随钻雷达主机1根据整个钻孔过程中探测的雷达波列图并依据雷达探测数据的幅值和相位变化分析各个预设探测点是否存在对应的反射雷达波信号(当波形图后面时刻的信号的幅度大于或等于前面时刻的信号的幅度或信号的相位有变化时，则认为的反射波信号存在，波形图后面时刻的信号的幅度大于或等于前面时刻的信号是反射信号与直达信号同向叠加引起的，相位变化是反射信号与直达信号不同相叠加引起的，因此这样可以准确判断是否存在反射波信号)，如果有预设探测点存在反射雷达波信号，则说明该预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体；利用雷达波在待测钻孔7四周的围岩8中传播的速度和发射脉冲宽频带雷达波到接收雷达反射波的时间采用上述公式3的方法计算产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔7对应预设探测点的距离；
根据待测钻孔7的轨迹图采用上述公式3的方法来确定待测钻孔7各个预设探测点在轨迹图中的坐标值；根据各个预设探测点在轨迹图中的坐标值和产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔7对应预设探测点的距离，采用上述公式3的方法计算出产生反射波的地质构造或含水体在探测区域的绝对坐标位置，即可确定地质构造或含水体的位置。
步骤3和4是将所有探测点的接收雷达波信号按探测点的距离排列成一张图片，各探测点相邻，则雷达探测信号会有相似性；因此，各探测点雷达信号排列生成波列图后对分析探测成果有帮助。
上述技术方案的步骤3中，每一个探测点的雷达起始点的坐标就是轨迹图的坐标。雷达探测是利用雷达发射天线发射电磁波，再用接收天线接收电磁波，经放大、滤波等处理后，将模拟信号进行数字化处理，生成数字信号；数字信号传输到随钻雷达主机后，中央处理器再通过人机交互设备将数字信号再现出来生成一个波形图，各个探测点的波形图依探测点的距离排列成一个二维图像就叫波列图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：它包括随钻雷达主机(1)、随钻雷达钻孔探头(2)、钻杆(4)、钻头(5)、钻机(6)，设置在随钻雷达钻孔探头(2)内的发射天线(2.1)、接收天线(2.2)、雷达波信号发射模块(2.3)、雷达波信号接收模块(2.4)、单片机(2.5)、第一存储器(2.8)、三维电子罗盘(2.9)和惯导设备(2.10)，其中，随钻雷达钻孔探头(2)的前端安装钻头(5)，随钻雷达钻孔探头(2)的后端安装钻杆(4)，钻杆(4)由钻机(6)驱动，单片机(2.5)用于根据惯导设备(2.10)输出的惯导数据计算随钻雷达钻孔探头(2)前进或后退移动的距离；
所述雷达波信号发射模块(2.3)用于通过发射天线(2.1)在单片机(2.5)的控制下在各个预设探测点向待测钻孔(7)四周发射脉冲宽频带雷达波，所述雷达波信号接收模块(2.4)用于通过接收天线(2.2)接收雷达探测信号，并进行数字化，所述雷达探测信号包括发射天线(2.1)发射的直达雷达波信号，以及当前预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体时地质构造或含水体对脉冲宽频带雷达波反射的雷达波信号；
所述单片机(2.5)通过三维电子罗盘(2.9)测量钻孔的轨迹，并将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号保存到第一存储器(2.8)中；
随钻雷达钻孔探头(2)退出待测钻孔(7)后将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到随钻雷达主机(1)；随钻雷达主机(1)根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻孔(7)的雷达探测波列图和待测钻孔(7)的轨迹图；
随钻雷达主机(1)根据整个钻孔过程中探测的雷达波列图并依据雷达探测数据的幅值和相位变化分析各个预设探测点是否存在对应的反射雷达波信号，如果有预设探测点存在反射雷达波信号，则说明该预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体。
2.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：所述随钻雷达钻孔探头(2)前进或后退移动的距离用于控制随钻雷达钻孔探头(2)达到各个预设探测点。
3.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：利用雷达波在待测钻孔(7)四周的围岩(8)中传播的速度和发射脉冲宽频带雷达波到接收雷达反射波的时间计算产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔(7)对应预设探测点的距离。
4.根据权利要求3所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：根据待测钻孔(7)的轨迹图来确定待测钻孔(7)各个预设探测点在轨迹图中的坐标值；根据各个预设探测点在轨迹图中的坐标值和产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔(7)对应预设探测点的距离，计算出产生反射波的地质构造或含水体在探测区域的绝对坐标位置，即可确定地质构造或含水体的位置。
5.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：它还包括航空工程塑料钻杆(3)，所述随钻雷达钻孔探头(2)利用三角形居中器(3.2)安装到航空工程塑料钻杆(3)的内腔中，确保随钻雷达钻孔探头(2)与航空工程塑料钻杆(3)之间留有一个过水通道(3.1)，以便钻机(6)的打钻用水或空气能通过钻杆(4)内腔和过水通道(3.1)，确保钻进钻孔时能利用水冷却钻头(5)和冲洗出钻孔产生的岩屑。
6.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：所示随钻雷达钻孔探头(2)与航空工程塑料钻杆(3)同轴设置。
7.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：所有预设探测点中相邻两个预设探测点的距离相等，且相邻两个预设探测点的距离范围均为10～20cm。
8.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：所述脉冲宽频带雷达波的频率范围为20～200MHz。
9.根据权利要求1所述的煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测装置，其特征在于：所述随钻雷达钻孔探头(2)内还包括探头通信口(2.7)，所述随钻雷达主机(1)包括中央处理器(1.1)、第二存储器(1.2)、人机交互设备(1.3)、主机通信口(1.4)和系统总线(1.5)，所述单片机(2.5)通过探头通信口(2.7)与主机通信口(1.4)通信，将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到系统总线(1.5)并存入第二存储器(1.2)，中央处理器(1.1)根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻孔(7)的雷达探测波列图和待测钻孔(7)的轨迹图，中央处理器(1.1)将保存到第二存储器(1.2)中钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号通过人机交互设备(1.3)进行显示。
10.一种基于权利要求1所述装置进行煤矿巷道和隧道随钻钻孔雷达超前探测的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：雷达波信号发射模块(2.3)通过发射天线(2.1)在单片机(2.5)的控制下在各个预设探测点向待测钻孔(7)四周发射脉冲宽频带雷达波，雷达波信号接收模块(2.4)通过接收天线(2.2)接收雷达探测信号，并进行数字化，所述雷达探测信号包括发射天线(2.1)发射的直达雷达波信号，以及当前预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体时地质构造或含水体对脉冲宽频带雷达波反射的雷达波信号；
步骤2：所述单片机(2.5)通过三维电子罗盘(2.9)测量钻孔的轨迹，并将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号保存到第一存储器(2.8)中；
步骤3：随钻雷达钻孔探头(2)退出待测钻孔(7)后将钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号传输到随钻雷达主机(1)；随钻雷达主机(1)根据钻孔的轨迹数据和数字化的雷达探测信号生成待测钻孔(7)的雷达探测波列图和待测钻孔(7)的轨迹图；
步骤4：随钻雷达主机(1)根据整个钻孔过程中探测的雷达波列图并依据雷达探测数据的幅值和相位变化分析各个预设探测点是否存在对应的反射雷达波信号，如果有预设探测点存在反射雷达波信号，则说明该预设探测点四周岩体中存在地质构造或含水体；利用雷达波在待测钻孔(7)四周的围岩(8)中传播的速度和发射脉冲宽频带雷达波到接收雷达反射波的时间计算产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔(7)对应预设探测点的距离；
根据待测钻孔(7)的轨迹图来确定待测钻孔(7)各个预设探测点在轨迹图中的坐标值；根据各个预设探测点在轨迹图中的坐标值和产生反射波的地质构造或含水体距离待测钻孔(7)对应预设探测点的距离，计算出产生反射波的地质构造或含水体在探测区域的绝对坐标位置，即可确定地质构造或含水体的位置。
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