矿井钻孔电磁波透视技术开发与测试.pdf

科学技术创新 2020.20 （转下页） 矿井钻孔电磁波透视技术开发与测试 房 哲刘 磊赵 兆张仲礼 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安710077） 目前井下超前探测方法都是基于在井下巷道中激励和采集信 号， 无可避免地受到巷道内施工设备、 电气设备、 金属支护等各种 设施的干扰， 从而影响采集数据的质量， 同时探测距离也受到巷道 空间条件的限制。 如果能有效利用井下已有的超前探放水钻孔， 进 行钻孔间电磁波透视， 从而获得孔间范围内的地质构造， 不仅减小 巷道干扰， 而且能够实现沿钻孔方向的长距离探测。 孔间电磁法研究最早始于 20世纪 20 年代， 由苏联学者 A.Д. 佩特罗夫斯基最早提出[1]。我国在 1959 年开始进行电磁波的相关 研究与应用， 在 1974 年， 开始在煤矿领域主要开展煤矿井下坑透 技术相关的仪器研制、 成像理论研究及工作面探测推广试验。 21世 纪以来，我国孔间电磁波技术在煤矿领域方面的研究主要集中在 对无线电波透视层析成像处理方法、 煤矿地质构造探查应用、 坑道 透视装置等方面。在处理方法研究方面 如2010年， 吴荣新等提出 了工作面实测场强值层析成像方法， 优化了层析成像处理方法， 有 效提高了坑透数据解释效果[2]。 在煤矿地质构造探查应用方面 2017 年， 梁庆华等对矿井瓦斯富集区无线电波透视曲线特征进行研究， 提出了瓦斯突出危险区划分方法[3]。 在坑道透视装置方面 2010年， 肖玉林等人提出了 “一发双收” 回采工作面探测方式， 有效降低了 现场施工强度， 减少了对矿井生产的影响时间[4]。综上所述， 前人研 究多集中在坑道无线电波透视技术，而对井下钻孔间电磁波透视 技术研究较少提及。 本文通过对钻孔孔间电磁波透视原理、 仪器组 成及施工工艺的介绍， 结合野外测试数据， 来验证煤矿井下钻孔孔 间电磁波透视技术在超前探测中的可行性。 1 矿井钻孔电磁波透视原理 矿井钻孔电磁波透视 （ 以下简称钻孔透视） 是根据电磁波穿越 井下巷道之间、 钻孔之间的煤层途径中， 利用煤层中存在的地质构 造对电磁波传播的影响形成的透视异常， 从而对钻孔间、 巷道间煤 层进行地质构造探查。 假设辐射源天线轴中点 O为原点， 在近似均匀、 各项同性煤 层中，观测点P到O点的距离为 r， P点的电磁波场强度H由下式 （ 1） 表示 （ 1） 式中 H0决定于发射功率和天线周围煤层的初始场强； β 为 煤层对电磁波的吸收系数； r是 P点到O点的直线距离m； θ是偶 极子轴与观测点方向的夹角。 当钻孔孔间煤层中存在地质异常构造 （陷落柱、 断层等） 时， 会 引起吸收系数β的变化， 因此可以通过测量接收场强值来推算出 钻孔之间超前区域的 β分布情况和介质分布情况， 进而对孔间超 前区域地质构造情况做出判断。 2 矿井钻孔电磁波透视仪器组成及工作方式 2.1 仪器系统组成 根据钻孔透视的基本原理，本文研制了矿用钻孔电磁波透视 仪器 （以下简称钻孔透视仪） ， 该仪器主要由孔中发射探管、 孔中接 收探管和孔外控制装置等组成。如图1所示。 图1 钻孔电磁波透视仪器系统组成框图 钻孔透视仪主要目的是实现两孔之间的特定频率的电磁波发 射和接收功能。 因此孔中收发天线的性能是仪器研制的关键。 该仪 器采用高品质孔中收发天线技术，结合高精度信号合成技术和高 精度微弱信号处理技术， 主要工作频率为 300KHz。实现了孔中电 磁波信号高稳定度发射和高灵敏度提取。系统各部分防爆类型均 为本安型， 符合井下施工要求。 2.2 系统工作方式 对基于井下超前探放水钻孔的孔间透视而言，由于钻孔空间 狭小， 孔中接收探头的推送较为困难， 无法频繁移动位置， 因此选 择 “一对一” 的工作方式， 即一个发射点对应一个接收点。 3 矿井钻孔电磁波透视仪器透视距离测试 在某试验钻场进行测试试验， 钻孔位置如图2所示。 3.1 钻孔透视仪器孔间透视能力测试 在 1 钻孔内分别在距离孔口位置 20m、 25m、 30m 处发射 300KHz电磁波信号， 2钻孔接收信号， 为避免孔外信号干扰， 只测 量20m-40m范围接收信号， 相邻两接收点间距为2m。 摘要 为了减少掘进工作面超前钻孔施工量， 降低巷道干扰影响， 提高井下超前探测范围和精度。开发了一种煤矿井下钻 孔中电磁波透视探测仪器技术。该技术以无线电波透视原理为理论基础， 利用现有的井下掘进工作面超前钻孔进行孔间地质探 查。该技术具有受巷道干扰小， 距探测目标近， 探测范围不受巷道空间制约等特点。仪器在某地面钻场进行了不同工作频率的孔 间透视能力测试， 证明了研发的仪器功能良好， 具备一定的孔间透视能力。 关键词 钻孔电磁波法； 无线电波透视； 孔间透视； 超前探测 中图分类号 P618.11文献标识码A文章编号2096-4390（2020）20-0054-02 基金项目 十三五国家重点研发计划基金资助项目 （2017YFC0804102） ； 中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资 助项目 （2017XAYMS05） 。 作者简介 房哲 （1989-） ， 男， 陕西渭南人， 西安科技大学地球探测与信息技术专业硕士毕业， 助理研究员， 研究方向 物探仪 器研发和信号处理。 0 sin r e HH r b q - 54-- 2020.20 科学技术创新 （转下页） 接收信号曲线如图3所示。 图2 钻孔位置及测试方式示意图 图3 不同发射位置时300KHz频率部分接收测点信号曲线图 从图3中曲线变化可以看到由于孔中不同位置岩层介电参 数有所差异， 接收曲线在 20m和25m发射时信号接收能量有所变 化， 但曲线趋势基本一致， 整体随接收距离的增大呈下降趋势。 30m 发射时， 接收曲线明显呈现出中间高两边低的特征。 相较于25m处 和30m处发射点， 在 20m处发射时， 信号在 40m 左右接收处能量 更接近背景噪声。因此可以总结出， 接收信号能量变化整体符合随 收发距离增大而减小的规律。 孔中透视仪器发射的300KHz电磁波 信号可以有效穿透35m厚的砂岩层，孔中接收仪器沿射线方向最 远接收范围可达到40m。也间接证明了孔间透视仪器能够有效透 视35-40m厚度的煤层。 4 结论 4.1 井下钻孔电磁波透视技术是以无线电波透视原理为理论 依据， 利用煤矿井下掘进工作面已有的施工钻孔， 进行钻孔孔间范 围内的地质异常体探查。该技术具有受巷道电磁干扰小， 距探测目 标近， 探测范围不受巷道空间制约等优点。 4.2 井下钻孔电磁波透视仪器主要由孔中发射探管、 孔中接收 探管和孔外控制装置等组成。仪器各组成部分都属于防爆仪器， 采 用 “一发一收” 定点施工方式进行测量。 4.3 通过地面钻孔孔间测试， 仪器功能稳定， 能够实现孔间透 视功能， 在 300KHz 频率时能够对 35m-40m间距的孔间煤层进行 有效透视，下一步还需要通过井下试验进一步验证仪器的功能及 适用性。 参考文献 [1]A.廿.佩特罗夫斯基.地下无线电波法[M].北京地质出版社，1981. [2]吴荣新， 刘盛东， 肖玉林， 等.工作面无线电波透视实测场强成像 分析及应用[J].岩土力学，2010，31（s1） 435-440. [3]梁庆华， 吴燕清， 李云波， 等.无线电波探测瓦斯富集区理论与方 法[J].煤炭学报，2017，42（S1） 148-154. [4]肖玉林， 吴荣新， 严家平， 等.工作面坑透场强传播规律及有效透 视宽度研究[J].煤炭学报，2017，42（3） 712-718. 环境监测污水现场采样质量控制与质量保证 邢 军 （大连市生态环境事务服务中心， 辽宁 大连116000） 污水监测质量控制与质量保证主要包括从事污水监测的 组织机构、 监测人员、 监测设备、 仪器等方面。根据 污水监测技 术规范 （HJ91.1-2019） （以下简称规范） 要求， 质量控制主要分 为采样质量控制和实验室分析质量控制[1]， 本文主要从现场监 测的角度分析总结质量控制与质量保证的方法与手段， 从而保 障污水监测数据的准确、 真实、 可靠。 1 监测人员质量保证及质量控制 根据检验检测机构资质认定能力评价 检验检测机构通 用要求 （RB/T214-2017） ， 检测机构应对抽样、 仪器设备等的人 员， 依据相应的教育、 培训、 技能和经验进行能力确认[2]。因此， 所有参与现场采样的人员均应经过培训，能力应满足要求， 并 得到确认。能力确认的方式包括基础理论、 基本技能、 现场分析 的考核等。人员能力是环境数据的基础和保证， 实际工作中人 员能力已经不仅限于技术能力， 更需要监测人员有足够的责任 心。 根据规范要求， 污水监测期间， 应对排污单位进行现场调 查并做好记录。有责任心的监测人员除对排污企业基本信息、 工艺流程、 排污去向等信息记录外， 更应该记录企业污水是否 有特征污染物、现场采样期间污水处理设施是否正常运行， 水 体颜色、 异味等特殊情况， 如遇特殊情况应在纸质记录外， 增加 照片、 录像等手段， 清晰记录现场实际情况。 2 监测方案的制定 相较于 地表水和污水监测技术规范 （HJ 91-2002） ， 此次 新发布的规范中明确提出了监测方案的制定， 方案中除包含监 测项目、 监测点位、 监测频次等基本信息外， 还需包括质量保证 及质量控制措施等。 摘要 污水环境监测数据的质量控制与质量保证包括现场采样质控和实验室分析质控， 目前实验室分析质控已较为成熟， 本文主要从现场采样全过程角度， 逐一分析， 产生数据偏离原因。 关键词 污水监测； 现场采样； 质量控制与保证 中图分类号 X835文献标识码A文章编号2096-4390（2020）20-0055-02 55--