CN118065830A - 一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿瓦斯富集区探测技术领域，具体涉及一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，主要包括岩石物理实验、数据采集和瓦斯含量预测过程，其具体实现步骤为：第一步：将预测巷道钻孔抽采到的多组煤样加工为标准煤样，并对其分别进行一定范围内一定步长下切割或挖空注入瓦斯的操作，调试实验环境，采用脉冲电磁波发射接收装置紧贴煤样进行实验，分析接收到的信号数据并计算出煤岩衰减系数和振幅、相位衰减值；第二步：在待测区域巷道选取多组预抽采钻孔作为采集钻孔。本发明以电磁波的振幅和相位为对照参数，通过岩石物理实验与现场实测数据进行对比，分析两者信号数值，有利于精确划定瓦斯区域的含量比例。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯富集区探测技术领域，具体涉及一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法。
背景技术
瓦斯是一种气态地质体，易燃、易爆、无色、无味。瓦斯的特殊性质使其成为我国煤矿生产的最大灾害源，瓦斯问题是煤矿安全生产的头等大事，关乎生命财产安全，而且随着我国煤炭开采技术逐渐提高，开采深度延深，瓦斯灾害将更加严重，煤与瓦斯突出问题也会更加严峻。在未来相当长的一段时间内，作为我国的一次主体能源的煤炭，将会一直处于我国能源的支配地位。因此，是否能够准确预测瓦斯富集区对煤矿开采安全具有重大意义。
目前探测瓦斯富集区的地球物理探测技术主要是三维地震勘探技术、地震干涉成像技术、音频大地电磁法、瞬变电磁探测技术等技术手段，其中，三维地震勘探是根据人工激发地震波在地下岩层中的传播路线和时间、探测地下岩层界面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造进而寻找油气藏的技术；地震干涉成像技术是通过背景噪声成像，刻画地下介质横波各向同性和各向异性速度三维分布及在时间上的变化，并基于地震横波速度对裂缝和瓦斯存在的敏感性，推断裂缝和瓦斯分布的一种探测技术；音频大地电磁法是利用天然的大地电磁场作为场源，来测定地下岩石的电性参数，并通过研究地点断面的变化来达到了解地质构造等地质目的一种探测技术。
在如今煤矿井下探测中，主要目的是为了预防井下灾害，因此超前性预测和精细化处理成为了井下探测的主要发展方向。在国内现有的地球物理探测方法和仪器中，槽波勘探和钻孔电磁波探测能够较好地满足现阶段的需求。
其中，钻孔电磁波探测，是一种基于井下工作条件而开发的宽带高频电磁波探测技术，其探测原理与传统探地雷达别无二致。宽频电磁波由发射天线发射至孔周地下介质后，在不同波阻抗介质交界处发生反射或折射。经过反射的电磁波将回到接收天线继而被接收和记录，然后经过折射的电磁波将继续向周围传播并重复发生反射和折射直至能量耗散殆尽。
现有钻孔电磁波探测具有体积小的优势，可以利用已有的钻孔如井下检查孔、预测孔、抽排孔等进行探测，而现场探测或取样回到物理实验室检测，检测方式单一，且两者之间存在一定差异，使煤层瓦斯富集区探测准确度不高。因此，我门提出一种实现对瓦斯富集区预测、煤层顶底板标高、钻孔附近异常地质体以及煤层赋存等情况进行精细的钻孔电磁波探测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，能够以电磁波的振幅和相位为对照参数，通过岩石物理实验与现场实测数据进行对比，分析两者信号数值，有利于精确划定瓦斯区域的含量比例。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，主要包括岩石物理实验、数据采集和瓦斯含量预测过程，其具体实现步骤为：
第一步：将预测巷道钻孔抽采到的多组煤样加工为标准煤样，并对其分别进行一定范围内一定步长下切割或挖空注入瓦斯的操作，调试实验环境，采用脉冲电磁波发射接收装置紧贴煤样进行实验，分析接收到的信号数据并计算出煤岩衰减系数和振幅、相位衰减值；
第二步：在待测区域巷道选取多组预抽采钻孔作为采集钻孔，将脉冲电磁波发射机和接收机以0.5m的固定间距放置于孔中，测量过程中，操纵主机发射接收电磁波信号同时推动推杆以0.1m的间隔规律前进，同时实时监测数据采集情况，采集结束后对探测环境和钻孔位置进行记录；
第三步：将主机采集到的原始数据经过一系列初步处理后，进行全部道信号补偿并记录电磁波振幅、相位衰减值；根据出现电磁波的走时，结合煤岩衰减系数对发射电磁波信号进行衰减，从而得出煤岩介质下的电磁波振幅和相位值，与实测数据求得绝对值差并与实验所得数据进行对比即可得出该瓦斯区域所占比例。
本发明取得的技术效果为：
本发明的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，以电磁波的振幅和相位为对照参数，通过岩石物理实验与现场实测数据进行对比，分析两者信号数值，有利于精确划定瓦斯区域的含量比例，为煤矿开采过程中避免瓦斯突出事故提供了重要的参考依据。
本发明的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，实测数据初步处理，先对其进行格式转换，之后对数据进行时间零矫正、坏道剔除、直流消除和直达波消除等预处理，用以排除仪器硬件原因产生的影响，完成后选取指定的频率范围进行带通滤波，方便后续进一步处理。
本发明的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，对巷道钻孔的设计，本发明选取预抽采钻孔进行重复利用，大大减少了采集时间和人力成本，对多组数据采集提高了极大的便利。
本发明的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，在进行岩石物理实验过程中，将巷道所采集的环境数据对实验环境进行精确校正，减少了因外部因素对实验所带来的误差。
附图说明
图1是本发明的数据采集的流程示意图；
图2是本发明的反射信号走时及振幅的示意图；
图3是本发明的数据处理的流程图；
图4是本发明的标准煤样的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
如图1-4所示，一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，包括岩石物理实验、数据采集和瓦斯含量预测，如下：
A、岩石物理实验：
1)前期准备：对预测巷道钻孔抽采到的十二份相同煤样加工成标准煤样，标准煤样示意图如图4所示，预留五份完整的标准煤样设立为第一组实验样品，对其最长边依次进行0％、20％、40％、60％、80％比例切割；其余七份依次按照瓦斯含量1％、3％、5％、8％、10％、15％、20％的比例将其中心以固定体积挖空并按比例注入瓦斯，并设立为第二组实验样品；按照提前记录到的巷道温度和湿度对测量环境进行校正；
2)实验过程：实验采用主频为100MHz的发射接收装置，测量两组实验样品时将二者分别紧贴煤样面1#和面2#放置；然后实验开始，将煤样放置于校正后的环境中，布设并操纵装置发射接收电磁波，同时对实验样品进行电磁波实时监测，防止出现信号不完整，对其余煤样重复上述步骤；
B、数据采集：
数据采集系统由发射接收天线、传输光纤和主机组成，测量方式为单孔反射测量，如下：
a)钻孔选取：在煤与瓦斯突出矿井或高瓦斯矿井中，应防治煤与瓦斯突出细则要求，对待开采区域应进行周期性钻孔预抽采瓦斯监测，可结合监测资料以及地质资料对预抽采钻孔进行重复利用，在设计钻孔阶段，考虑地质构造和孔内探测的空间方位，应设置多个钻孔不在同一平面，且钻孔前进方向沿巷道两侧，同时钻孔之间距离应小于发射接收天线最大测量范围；
b)仪器布设：采用天线主频为100MHz，其间隔为0.5m，采样空间间隔为0.1m，时间采样间隔为0.25ns，钻孔深度15m；将发射天线和接收天线以固定间距绑定至推杆头部，并将推杆放置于待测钻孔中，利用光纤连接推杆与主机，对主机进行调试确保仪器状态良好，具体布设如图1所示；
c)孔内采集：推杆紧贴孔壁向孔内缓慢推进，同时操作主机发射并采集电磁波波信号，并监测主机采集数据的完整性，对单一孔采集结束后，取出推杆并记录该组数据的钻孔位置、钻孔温度及湿度等信息；对剩余待测孔重复上述步骤，测量结束后将采集到的反射信号数据传输至计算机；
C、瓦斯含量预测：
实验数据分析、实测数据初步处理、信号增益、数据解释，如下：
1)实验数据分析：以电磁波的振幅和相位为主要参数进行分析；
一般情况下，电磁波以球面的形式向前传播，而球面的公式为：
S＝4πr2 (1)
由于电磁波在介质中传播会产生吸收衰减，投射损失和几何扩散带来的信号变化，其原理如图2所示，结合式(1)可得：
A1＝A0Sλ＝A0(4πr2)λ＝A0(4π(vt)2)λ＝4λπλA0v2λt2λ (2)
其中，A1为变化后的振幅，A0为发射电磁波的初始振幅，λ为变化方向，r为传播距离，t为传播时间，v为波速；
由式(2)可知，振幅变化与时间呈正相关的关系，如下：
其中，α1为线性变化系数，β1为指数变化系数；
同理可得，相位变化也与时间呈正相关的关系，如下：
其中，为变化后的相位，/>为发射电磁波的初始相位，α2为线性变化系数，β2为指数变化系数；
针对岩石物理实验采集到的信号数据，计算出第i组(i＝1,2,3,……,12)实验样品发射天线电磁波场值和接收天线电磁波场值/>其中Ai为第i组发射接收的电磁波振幅值，/>为第i组发射接收的电磁波相位，ti为第i组电磁波传播时间；
第一组实验煤样经比例切割形成五组对照样品，电磁波对应传播距离r分别为20cm、16cm、12cm、8cm和4cm；将每组发射接收天线电磁波场值Yi和Zi分别代入式(3)与式(4)求得：电磁波在煤层介质中传播，振幅和相位随时间变化的表达式，并结合Maxwell方程组推导出煤岩衰减系数α；
将第二组实验样品中接收到的七组电磁波数据与未切割煤样接收到的电磁波场值进行对比，未切割煤样接收到的电磁波的振幅A1和相位含有瓦斯煤样接收到的电磁波的振幅/>和相位/>计算出电磁波在不同瓦斯含量下振幅变量/>和相位变量/>
2)实测数据初步处理：该组数据总道数为150道，因采集到的原始数据以二进制存储，应先对其进行格式转换，之后对数据进行时间零矫正、坏道剔除、直流消除和直达波消除等预处理，用以排除仪器硬件原因产生的影响，完成后选取指定的频率范围进行带通滤波，方便后续进一步处理；
3)信号增益：为准确测定所测区域瓦斯含量，对全部道数据进行信号增益，补偿吸收衰减、投射损失和几何扩散带来的信号衰减，并与无异常体煤岩介质传播下的反射电磁波信号做对比，具体实施步骤如下：
根据煤岩衰减系数α对全部道信号数据进行补偿，使其去除因在有损介质传播中所产生的衰减，对补偿后有效电磁波的振幅值Ax(x＝1,2,3,……)和相位值进行整理，同时对每道数据中出现有效电磁波后的时间作记录，记为走时tτ(τ＝1,2,3,……,x)；
记录结束后，根据煤岩衰减系数α和走时tτ，对发射电磁波信号分别作定量衰减，记录衰减电磁波的振幅值Ay(y＝1,2,3,……,x)和相位值
4)数据解释：将振幅值Ax、相位值和幅值Ay、相位值/>根据走时tτ一一对应进行绝对差值运算即可求得电磁波信号在该区域瓦斯富集区内的振幅和相位的变化值分别为Aγ(γ＝1,2,3,……,x)、/>最终通过Aγ和2×Az、/>和/>其中，Az和/>为单程衰减下的变化值，故需在与实测数据对比中乘以2倍，进行对比即可推算出该瓦斯富集区中瓦斯的范围比例，如需精确测量该范围瓦斯占比，应在岩石物理试验过程中增加实验样品，减少步长。
综上，本发明以电磁波的振幅和相位为对照参数，通过岩石物理实验与现场实测数据进行对比，分析两者信号数值，有利于精确划定瓦斯区域的含量比例，为煤矿开采过程中避免瓦斯突出事故提供了重要的参考依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (10)
1.一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、岩石物理实验：对预测巷道钻孔抽采并加工成若干标准煤样，逐个放置于校正后的环境中，通过发射接收装置发射接收电磁波，以及实时监测；
第二步、数据采集：由发射接收天线、传输光纤和主机组成数据采集系统，在煤与瓦斯突出矿井或高瓦斯矿井中，进行单孔反射测量；
第三步、瓦斯含量预测：依次进行实验数据分析、实测数据初步处理、信号增益以及数据解释，推算出瓦斯富集区中瓦斯的范围比例；
其中，所述实验数据分析以电磁波的振幅和相位为主要参数进行分析；
假设电磁波以球面的形式向前传播，而球面的公式为：
S＝4πr2 (1)
由于电磁波在介质中传播会产生吸收衰减，投射损失和几何扩散带来的信号变化，结合式(1)可得：
A1＝A0Sλ＝A0(4πr2)λ＝A0(4π(vt)2)λ＝4λπλA0v2λt2λ (2)
其中，A1为变化后的振幅，A0为发射电磁波的初始振幅，λ为变化方向，r为传播距离，t为传播时间，v为波速；
由式(2)可知，振幅变化与时间呈正相关的关系，如下：
其中α1为线性变化系数，β1为指数变化系数；
同理可得，相位变化也与时间呈正相关的关系，如下：
其中，为变化后的相位，/>为发射电磁波的初始相位，α2为线性变化系数，β2为指数变化系数；
针对岩石物理实验采集到的信号数据，计算出第i组(i＝1,2,3,……,12)实验样品发射天线电磁波场值和接收天线电磁波场值/>其中Ai为第i组发射接收的电磁波振幅值，/>为第i组发射接收的电磁波相位，ti为第i组电磁波传播时间。
2.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述第一步中，对预测巷道钻孔抽采到至少十二份标准煤样，其中五份完整的标准煤样设立为第一组实验样品，对其最长边依次进行0％、20％、40％、60％、80％比例切割；其余七份依次按照瓦斯含量1％、3％、5％、8％、10％、15％、20％的比例将其中心以固定体积挖空并按比例注入瓦斯，并设立为第二组实验样品。
3.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述数据采集还包括钻孔选取，如下：
首先，在煤与瓦斯突出矿井或高瓦斯矿井中，对待开采区域进行周期性钻孔预抽采瓦斯监测，结合监测资料以及地质资料对预抽采钻孔进行重复利用；
其次，在设计钻孔阶段，考虑地质构造和孔内探测的空间方位，设置多个钻孔不在同一平面，且钻孔前进方向沿巷道两侧，同时钻孔之间距离小于发射接收天线最大测量范围。
4.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述数据采集还包括钻孔仪布设，如下：
首先，采用发射天线和接收天线主频为100MHz，其间隔为0.5m，采样空间间隔为0.1m，时间采样间隔为0.25ns，钻孔深度15m；
其次，将发射天线和接收天线以固定间距绑定至推杆头部，并将推杆放置于待测钻孔中，利用光纤连接推杆与主机，对主机进行调试确保仪器状态良好。
5.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述数据采集还包括孔内采集，如下：
首先，将推杆紧贴孔壁向孔内缓慢推进，同时操作主机发射并采集电磁波信号，并监测主机采集数据的完整性；
其次，对单一孔采集结束后，取出推杆并记录该组数据的钻孔位置、钻孔温度及湿度信息；
最后，对剩余待测孔重复上述步骤，测量结束后将采集到的反射信号数据传输至计算机。
6.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述实验数据分析还包括：
第一组实验煤样经比例切割形成五组对照样品，电磁波对应传播距离r分别为20cm、16cm、12cm、8cm和4cm；将每组发射接收天线电磁波场值Yi和Zi分别代入式(3)与式(4)求得：电磁波在煤层介质中传播，振幅和相位随时间变化的表达式，并结合Maxwell方程组推导出煤岩衰减系数α。
7.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述实验数据分析还包括：
将第二组实验样品中接收到的七组电磁波数据与未切割煤样接收到的电磁波场值进行对比，未切割煤样接收到的电磁波的振幅A1和相位含有瓦斯煤样接收到的电磁波的振幅/>和相位/>计算出电磁波在不同瓦斯含量下振幅变量和相位变量/>
8.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述实测数据初步处理，先进行格式转换，之后对数据进行预处理，用以排除仪器硬件原因产生的影响，完成后选取指定的频率范围进行带通滤波。
9.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述信号增益对全部道数据进行信号增益，补偿吸收衰减、投射损失和几何扩散带来的信号衰减，并与无异常体煤岩介质传播下的反射电磁波信号做对比，具体步骤如下：
首先，根据煤岩衰减系数α对全部道信号数据进行补偿，使其去除因在有损介质传播中所产生的衰减，对补偿后有效电磁波的振幅值Ax(x＝1,2,3,……)和相位值进行整理，同时对每道数据中出现有效电磁波后的时间作记录，记为走时tτ(τ＝1,2,3,……,x)；
其次，记录结束后，根据煤岩衰减系数α和走时tτ，对发射电磁波信号分别作定量衰减，记录衰减电磁波的振幅值Ay(y＝1,2,3,……,x)和相位值
10.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯富集区钻孔电磁波探测方法，其特征在于：所述数据解释，是将振幅值Ax、相位值和幅值Ay、相位值/>根据走时tτ一一对应进行绝对差值运算，求得电磁波信号在该区域瓦斯富集区内的振幅和相位的变化值分别为Aγ(γ＝1,2,3,……,x)、/>最终通过Aγ和2×Az、/>和/>其中，Az和/>为单程衰减下的变化值，在与实测数据对比中乘以2倍，进行对比即推算出该瓦斯富集区中瓦斯的范围比例。
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