煤矿钻物探一体化超前精细探水新技术

煤矿钻物探一体化超前精细探水新技术国家煤矿水害防治工程技术研究中心（北京）中国矿业大学（北京）武汉长盛煤安科技有限公司武汉长盛煤安科技有限公司负责人，毕业于中南大学应用地球物理专业，教授级高级工程师，原长江水利委员会三峡大坝工程混凝土质量检测主要负责人之一，从事工程质量及安全的探测检测技术研究和产品研发、生产三十余年。中国地球物理学会工程地球物理专委会委员，中国地质学会矿山水水防治及利用专委会副主任委员；武汉市“黄鹤英才”科技计划入选人，申请国家发明专利二十几项；获国家科技进步二等奖一项，中国地质学会十大科技进展奖一项，湖北省科技技术进步二等奖一项，中国岩石力学与工程学会三等奖一项。刘春生简介目录一、现有矿山超前探测技术简述二、钻物探一体化超前探水技术1、钻孔雷达全方位探测技术2、钻孔三维定向瞬变电磁探水技术3、快速水源识别技术三、岩层结构成像技术四、钻孔轨迹测量技术五、地震波与震电法巷道超前探测预报技术简介六、煤矿突水监测技术电法探测：岩石和矿石的电性物理性质主要有：导电性、激电性、介电性、导磁性等四种，不同岩石和矿石的物理性质存在差异，电法探测就是利用这些物性差异开展探测工作，达到探测目的。目前煤矿超前探测手段：钻探、物探物探方法：电法类、弹性波类探测。煤矿探测的电法类方法主要有：（1）直流电法、（2）瞬变电磁法、（3）雷达。一、煤矿现有探测技术介绍弹性波探测：地震弹性波法超前预报原理是利用地震反射波原理，对巷道掌子面前方的地质条件进行探测。由震源产生的地震波向巷道前方传播的过程中，遇到岩体中相对声阻抗变化界面会产生反射波。利用设备采集隧道围岩中界面的地震回波，通过专业处理系统提取回波的界面位置、空间分布、回波极性和回波能量等信息，并结合巷道地质勘察资料综合分析，实现巷道地质超前预报目的。巷道的锚杆和锚网支护巷道的钢槽和钢骨了架巷道的机电设备和电缆巷道掘进机巷道物探探水干扰因素问题（1）1、矿井直流电法探水介绍：直流电法井下超前探测工作方法示意图理想模型下的数据曲线图点源场原理图一、煤矿现有探测技术介绍巷道支护和传输架巷道轨道、钢管及杂物巷道排水设备和管道巷道积水巷道物探探水干扰因素问题（2）电场示意图2、矿井瞬变电磁法介绍：传统矿井瞬变探测示意图铁质材料对瞬变电磁探测影响图瞬变电磁探测数据曲线一、煤矿现有探测技术介绍矿井瞬变电磁法成果图101622283440465258647076-80-70-60-50-40-30-20-101234567891015距离（m）电阻率（欧姆·米）矿井瞬变电磁法介绍：3、超前钻孔探水为了确保在掘进过程中的生产安全，在现行规定中，突出了钻孔超前探测的重要性，一方面主要得益于超前钻孔的直观性；由于钻孔揭示的掘进面前方的是点信息，因此，要根据水头高低、煤（岩）层厚度和硬度以及安全措施等条件确定超前探水孔的布置和超前距离。巷道钻探探放水钻孔布置示意图一、煤矿现有探测技术介绍二、钻物探一体化超前探水技术1、钻孔雷达全方位探测技术2、钻孔三维定向瞬变电磁探水技术3、快速水源识别技术煤矿钻孔物探技术介绍钻孔物探探水优势1、能寻找孔旁、孔底未揭穿含水体，判定含水体的空间分布，以及获得钻孔周围数十米范围内的地质信息，从而达到提高钻孔探测效果；2、由于接收接近深部含水体，能获得比地面、掘进面更强的异常信号；3、探测探头在钻孔接收，能克服表面各种人为因素干扰，提高探测信息的准确性。二、钻孔物探超前探水新技术钻孔前方有含水地质体钻孔旁边有含水地质体1、钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术1、非接触式雷达探测；2、准确探测有害地质体的距离；3、可以描述有害地质体的规模；4、克服人为因素。优点：钻孔雷达探测专利1、钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术探测原理：钻孔雷达作为工程物探检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。钻孔雷达由一体化主机、天线及配套软件等部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，钻孔雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(几MHz-几GHz)，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的。电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此根据钻孔雷达记录上的孔壁反射波与异常体反射波的时间差ΔT，即可据下式算出异常的深度H：HVT2(1)式中，H即为目标层厚度；V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：VC(2)式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术雷达可测量信号到达目标的传输时间，利用传播速率计算出目标的距离。当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出：1、在天线信号范围之内2、信噪比适当钻孔雷达作为一种井中物探，它向地层发射高频电磁波，利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息，从而解释地层信息，它具有较高的分辨率和较大的探测范围。探测灵敏度：2121R式中：R为探测灵敏度，ε1、ε2为围岩和有害地质体的介电常数。两者介质的介电常数差异越大，探测效果越好。钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术钻孔雷达探测成像原理示意图钻孔雷达在某隧道试验模型图钻孔雷达工程实地模型试验设计钻孔雷达在某隧道原始数据钻孔雷达某隧道模型探测成果解读钻孔雷达实地模型探测效果国外钻孔雷达及探测效果钻孔雷达全方位探测成果图钻孔雷达隧道超前探测效果某铁路隧道超前探测效果图钻孔雷达隧道超前探测效果岩体较破碎破碎严重并含水体某磷矿隧道超前探测效果图钻孔雷达隧道超前探测效果钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术检测钻孔深度62.6米，上方9.5米为钢套管。图中标识位置有明显反射信号钻孔检测深度66.7米，钢套管深度6.7米。图中50米至60米范围段界面反射明显钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术钻孔雷达全方位探测成果图钻孔物探超前探测新技术之一——钻孔雷达全方位探测技术钻孔雷达全方位探测成果图主机探头及特性2、钻孔物探超前探水新技术之二——钻孔三维定向瞬变电磁探水技术钻孔三维定向瞬变探测示意图钻孔三维定向瞬变专利巷道发射/巷道接收线圈2、钻孔物探超前探水新技术之四——钻孔三维定向瞬变电磁探水技术优点：1、克服了巷道锚杆锚网、机电电力设备等干扰因素，极大减少虚假异常的产生；2、克服了普通井下瞬变、电法的体积效应，对探测异常体可以进行准确定位；3、将远距离物探探测演变成近距离物探探测，大大提高了物探探测的分辨精度；4、非接触式探测，克服了因接触不良而造成的信号测试不稳的影响；5、巷孔单一观测模式，克服了因探测人员而异产生的人为因素的影响；6、是传统钻探与物探的最佳融合，大大扩大了钻探的有效探测范围和物探的精度。2、钻孔物探超前探水新技术之二——钻孔三维定向瞬变电磁探水技术钻孔三维定向瞬变探测效果图3、突水水源快速识别新技术——国内第一台本安型突水水源判识仪专利证蓍作权证为什么要做成本安型突水水源识别仪：1、电极法测量的参数（如：氧化还原电位、导电率、温度、PH值等）在水的自然环境下测试结果准确。2、碳酸根离子、亚硝酸根、亚铁离子等易发生氧化反应和水化反应，使测试结果离开自然环境时间过长会造成测试结果不准。水样测试原理：本仪器采用三种类型的水质化验方法：光吸收法、电极法、滴定法。光吸收法：利用透射光的强度来识别离子浓度的一种离子测试方法。水样中不同离子与其对应的特殊化学药品进行物理化学反应后，可形成有色物质，影响不同频谱的光的透射强度。电极法：利用水样中不同离子对通电电流的阻率不同而识别其密度大小的一种水质测试方法。滴定法：根据指示剂的颜色变化指示滴定终点，然后目测标准溶液消耗体积，计算分析结果。3、YHS5矿用本安型水质分析仪介绍矿用本安型突水水源快速判识仪.把复杂的水质化验操作流程变成了简单的试剂点滴.非化学专业人士能用好的水质分析仪.煤矿突水水源快速判识工作站.YHS5矿用本安型水质分析仪主机3、YHS5矿用本安型水质分析仪介绍三、岩层结构成像技术三、岩层结构成像——钻孔电视成像技术岩层结构图本安型钻孔全景成像设备，可用于观测：1）矿体矿脉厚度、倾向和倾角；2）地层岩性和岩体结构构造等；3）观测和定量分析煤层等矿体走向、厚度、倾向、倾角，层内夹矸及与顶板岩层的离层裂缝程度等；4）断层裂隙产状及发育情况；5）含水断层、溶沟溶洞、岩层水流向等。岩层结构图钻孔电视成像仪四、钻孔轨迹测量技术四、钻孔轨迹测量——随钻轨迹测量技术专利证著作权证随钻轨迹测量优点：传统的钻孔轨迹测量因钻孔塌孔而无法进行测量问题，在现有的钻机基础上,钻机无需改造就可进行随钻轨迹测量。随钻钻轨迹测量仪YZG360矿用本安型随钻轨迹测量仪测量系统界面图钻孔轨迹测量——随钻轨迹测量技术YZG360矿用本安型随钻轨迹深度测量仪用途：测量钻孔轨迹。地质勘探孔、瓦斯抽放孔、探放水孔、注浆加固孔等钻孔轨迹测量；在现有的钻机基础上,不需要通缆钻杆,钻机无需改造就可进行随钻轨迹测量，克服了钻孔塌孔不能测轨迹和深度的问题。测量系统示意图钻孔轨迹图钻孔轨迹测量——随钻轨迹测量技术五、地震波与微电法巷道探测预报技术介绍——巷道地震弹性波反射与震电超前探测技术震电效应原理示意图震电观测示意图三维地震反射和震电效应一体化超前探测预报专利五、隧道地质超前探测预报仪JL-TSEP306隧道地质超前预报仪隧道地质超前预报观测方式图（在地震反射法探测的同时布置X、Y方向的二对电极观测震电效应值）五、隧道地质超前探测预报仪五、隧道地质超前探测预报仪TSP与TSEP的频谱分析对比图TSP与TSEP的反射提取对比图五、隧道地质超前探测预报仪五、隧道地质超前探测预报仪震电效应图谱135至165里程位置含水体较严重五、隧道地质超前探测预报仪震电效应图谱135至165里程位置断层含水分析图五、隧道地质超前探测预报仪六、煤矿突水监测技术介绍——微震与电磁耦合突水监测技术六、微震与电磁耦合的突出监测技术与装备微震与电磁综合监测预报技术声发射、微地震与电磁耦合一体化监测技术是通过观测分析生产活动过程当中所产生的岩体声发射、微小地震及因地震造成含水和瓦斯体产生变化时而产生电磁脉冲信号的事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术，通过在采动区的顶板和底板内布置多组检波器并且实时采集微震与电磁数据，经过数据处理后，采用震动定位的原理和各种计算的方法，可确定破裂发生的位置，即震源的空间位置。而声发射、微震的强弱对产生的电磁信号的大小有关；因此，监测电磁信号可以分析判定动力灾害有直接相关关系。专利证书原理：任何岩体在宏观破坏前一般都会产生许多细小微破裂。这些微破裂以弹性能释放形式产生弹性波，可被安装在有效范围内的传感器接收。利用多个传感器接收这种弹性波信息，通过反演方法可以得到岩体微破裂发生的时刻、位置和性质，即地球物理学中所谓的“时空强”三要素。根据微破裂的大小、集中程度、破裂密度，则有可能推断岩石宏观破裂的发展趋势。六、微震与电磁耦合的突出监测技术与装备传感器1传感器2传感器3微破裂(微震)微震与电磁耦合监测系统结构图六、微震与电磁耦合的突出监测技术与装备微震监测系统软件需要实现以下功能：1)实时自动采集微震信号；2)自动记录和显示实时微震信号；3)具有软件滤波、阈值设定和带宽检波等多种功能；4)自动（手动）拾取到时信息进行震源定位；5)多种震源定位模型算法；6)震源的震动能量计算及矿山危险评估；7)3D界面实时、动态显示微震事件的时间与空间定位。8)预测微震事件发展趋势预警。六、微震与电磁耦合的突出监测技术与装备设备及传感器：电磁传感器震动传感器微震监测系统分站六、微震与电磁耦合的突出监测技术与装备微震电磁监测系统布置图六、微震与电磁耦合的突出监测技术与装备微震监测系统分站钻孔安装孔震动传感器安装电磁传感器安装系统安装验收主机安装调试安装调试