一種礦用鉆孔雷達(dá)超前探水預(yù)報(bào)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉應(yīng)用地球物理學(xué)雷達(dá)波探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種礦用鉆孔雷達(dá)超前 探水預(yù)報(bào)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦超前探水主要是在掘進(jìn)巷道迎頭利用直接或間接的方法向隧道、巷道掘進(jìn)方 向和工作面進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)前方是否存在有害地質(zhì)構(gòu)造或富水體及導(dǎo)水通道，為隧道的安 全掘進(jìn)提供詳細(xì)的探測(cè)資料。
[0003] 目前用于煤礦超前探測(cè)的直接方法為鉆探法，間接方法為物探法，其中鉆探法雖 然鉆探的結(jié)果比較可靠，但施工周期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，對(duì)隧道、巷道的正常生產(chǎn)影響較大。
[0004] 目前可用于超前探測(cè)的物探法主要有三極法超前探測(cè)方法、礦井瞬變電磁法、地 震波法、鉆孔電法和鉆孔電磁法。
[0005] 以上這些地球物理方法都是一種隧道、巷道、工作面或鉆孔鉆好后的鉆孔探測(cè)方 法，由于巷道或工作面干擾較大，隧道、巷道內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)、底板的鐵軌、工字鋼支護(hù)、錨桿支 護(hù)、運(yùn)輸皮帶支架等各種金屬設(shè)施對(duì)三極法、礦井瞬變電磁法的觀測(cè)結(jié)果影響較大，同時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)觀測(cè)及成果分析較復(fù)雜，并且探測(cè)參數(shù)單一，只利用了電阻率一個(gè)參 數(shù)，排除多解性能力差，結(jié)果存在多解性。如果采用上述多種方法組合使用，又大大增加了 超前預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)成本;而孔鉆好后進(jìn)行的鉆孔探測(cè)方法由于煤層較軟，鉆孔經(jīng)常塌孔而無(wú) 法進(jìn)行探測(cè)。地震波法主要解決地質(zhì)構(gòu)造界面的問題，對(duì)構(gòu)造的富水性無(wú)法進(jìn)行解釋;鉆孔 電法和鉆孔電磁法無(wú)法對(duì)含水體的大小和距離進(jìn)行判斷解釋。
[0006] 參考文獻(xiàn)：《電磁測(cè)深法原理》1990年、地質(zhì)出版社，樸化榮著；《時(shí)間域電磁法原 理》2007年中南大學(xué)出版，牛之璉編著《探地雷達(dá)理論與應(yīng)用》2006年、科技出版社，粟毅、黃 春琳、雷文太著;《探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用》2006年、科技學(xué)出版，曾昭發(fā)等編著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是要提供一種煤礦鉆孔雷達(dá)超前探水預(yù)報(bào)裝置及方法，通過(guò)該裝 置和方法，可對(duì)掘進(jìn)隧道、巷道迎頭及工作面正在鉆進(jìn)的鉆孔進(jìn)行探測(cè)，可以探測(cè)鉆孔周圍 0~30米范圍內(nèi)的富水體和導(dǎo)水通道等有害地質(zhì)體并進(jìn)行精細(xì)有效的探測(cè)預(yù)報(bào)。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的礦用鉆孔雷達(dá)超前探水預(yù)報(bào)裝置，它包括現(xiàn)場(chǎng)主 機(jī)，探頭，網(wǎng)線電纜，推桿，設(shè)置在探頭內(nèi)的發(fā)射天線、接收天線、雷達(dá)波信號(hào)發(fā)射模塊、雷達(dá) 波信號(hào)接收模塊、單片機(jī)、電池、探頭網(wǎng)口、第一存儲(chǔ)器和三維電子羅盤，其中，所述雷達(dá)波 信號(hào)發(fā)射模塊的信號(hào)輸出端與發(fā)射天線的信號(hào)輸入端連接，雷達(dá)波信號(hào)接收模塊的信號(hào)輸 入端與接收天線的信號(hào)輸出端連接;所述雷達(dá)波信號(hào)發(fā)射模塊和雷達(dá)波信號(hào)接收模塊的通 信端分別與單片機(jī)的信號(hào)發(fā)射通信端和信號(hào)接收通信端連接，所述第一存儲(chǔ)器和三維電子 羅盤的通信端分別與單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通信端和羅盤數(shù)據(jù)通信端連接，所述單片機(jī)的數(shù)據(jù) 通信端通過(guò)探頭網(wǎng)口和網(wǎng)線電纜與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)的數(shù)據(jù)通信端連接;所述電池分別向雷達(dá)波信 號(hào)發(fā)射模塊、雷達(dá)波信號(hào)接收模塊、三維電子羅盤和單片機(jī)供電；
[0009] 所述雷達(dá)波信號(hào)發(fā)射模塊和發(fā)射天線能在單片機(jī)的控制下向待測(cè)鉆孔周圍發(fā)射 脈沖寬頻帶雷達(dá)波，所述雷達(dá)波信號(hào)接收模塊和接收天線用于接收發(fā)射天線發(fā)射的直達(dá)雷 達(dá)波信號(hào)和待測(cè)鉆孔周圍巖體反射的雷達(dá)波信號(hào)；
[0010] 所述單片機(jī)用于將接收到的直達(dá)雷達(dá)波信號(hào)和反射雷達(dá)波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理， 得到直達(dá)雷達(dá)波和反射雷達(dá)波數(shù)字信號(hào)，并將該直達(dá)雷達(dá)波和反射雷達(dá)波數(shù)字信號(hào)與三維 電子羅盤測(cè)得的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)或保存第一存儲(chǔ)器中，所述現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)用于根 據(jù)上述直達(dá)雷達(dá)波和反射雷達(dá)波數(shù)字信號(hào)以及上述鉆孔軌跡數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)的雷達(dá)波列圖 和鉆孔軌跡圖。
[0011] -種利用礦用鉆孔雷達(dá)超前探水預(yù)報(bào)裝置進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)的方法，其特征在 于，它包括如下步驟：
[0012] 步驟1:將探頭置于待測(cè)鉆孔孔口；
[0013] 步驟2:現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)通過(guò)單片機(jī)控制雷達(dá)波信號(hào)發(fā)射模塊使發(fā)射天線發(fā)射脈沖寬頻 雷達(dá)波；
[0014] 步驟3:接收天線接收發(fā)射天線發(fā)射的直達(dá)雷達(dá)波信號(hào)和待測(cè)鉆孔周圍巖體反射 的雷達(dá)波信號(hào)，雷達(dá)波信號(hào)接收模塊和單片機(jī)對(duì)接收天線接收的直達(dá)雷達(dá)波信號(hào)和反射雷 達(dá)波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理和數(shù)字化，然后單片機(jī)將直達(dá)雷達(dá)波和反射雷達(dá)波數(shù)字信號(hào)傳輸 給現(xiàn)場(chǎng)主機(jī);同時(shí)，三維電子羅盤測(cè)量待測(cè)鉆孔孔口處的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將待測(cè)鉆孔孔口處的 坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將待測(cè)鉆孔孔口處的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)；
[0015] 步驟4:利用推桿將探頭由待測(cè)鉆孔孔口向孔底逐步推進(jìn)，并利用步驟2~步驟3所 述的待測(cè)鉆孔超前探測(cè)方法對(duì)待測(cè)鉆孔進(jìn)行逐點(diǎn)掃描探測(cè)，即在每個(gè)預(yù)設(shè)的探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃 描探測(cè)，得到待測(cè)鉆孔孔口至孔底每個(gè)預(yù)設(shè)探測(cè)點(diǎn)的直達(dá)雷達(dá)波信號(hào)和反射雷達(dá)波信號(hào)， 以及每個(gè)預(yù)設(shè)探測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到待測(cè)鉆孔孔口至孔底所有預(yù)設(shè)探測(cè)點(diǎn)的雷達(dá)波 數(shù)據(jù)，以及待測(cè)鉆孔的軌跡數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟5:現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)根據(jù)待測(cè)鉆孔孔口至孔底所有預(yù)設(shè)探測(cè)點(diǎn)的雷達(dá)波數(shù)據(jù)中的雷 達(dá)波時(shí)間和雷達(dá)波幅值構(gòu)建數(shù)字化波形圖，形成整個(gè)待測(cè)鉆孔深度的二維數(shù)字化雷達(dá)波列 圖，現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)根據(jù)接收到的待測(cè)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)繪制出待測(cè)鉆孔軌跡圖；
[0017]步驟6:現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)根據(jù)步驟5中得到的待測(cè)鉆孔的整個(gè)待測(cè)鉆孔深度的二維數(shù)字化 雷達(dá)波列圖和待測(cè)鉆孔軌跡圖，找出所有的雷達(dá)波反射的信號(hào)，根據(jù)雷達(dá)波反射信號(hào)的幅 值判斷所有的雷達(dá)波反射信號(hào)中是否包括由含水體產(chǎn)生的雷達(dá)反射波信號(hào)，并依據(jù)反射雷 達(dá)波的時(shí)間和幅值特征計(jì)算出由含水體產(chǎn)生的反射雷達(dá)波相對(duì)于待測(cè)鉆孔的位置，這樣就 可以判斷待測(cè)鉆孔周圍巖體是否存在含水體，并得到含水體的位置和含水體離待測(cè)鉆孔的 距離，依此可以做出預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)鉆孔的超前探水及預(yù)報(bào)。
[0018] 應(yīng)用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道、巷道掘進(jìn)的鉆孔進(jìn)行超前探測(cè)預(yù)報(bào)。相比于現(xiàn)有的 超前預(yù)報(bào)設(shè)備和方法，本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：
[0019] (1)采用本發(fā)明，將脈沖寬頻帶雷達(dá)波發(fā)射接收探頭布置在鉆孔中，通過(guò)發(fā)射脈沖 寬頻帶雷達(dá)波來(lái)探測(cè)鉆孔周圍不同半徑距離的巖層地質(zhì)特征，判斷鉆孔周圍一定范圍內(nèi)有 無(wú)含水體等有害地質(zhì)體。將探頭在鉆孔內(nèi)推進(jìn)并以一定的探測(cè)點(diǎn)距進(jìn)行探測(cè)，可以充分利 用整個(gè)鉆孔的深度，探測(cè)整個(gè)鉆孔周圍柱狀體內(nèi)的巖層特征，探測(cè)范圍大，信息多，且相鄰 測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果可以相互驗(yàn)證，準(zhǔn)確可靠。另外，本發(fā)明可大大減少探測(cè)鉆孔的數(shù)量，節(jié)省 時(shí)間和成本，提高工作效益，同時(shí)也提高了煤礦井下巷道掘進(jìn)隱伏水患的排除能力。
[0020] (2)采用本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)鉆孔內(nèi)脈沖寬頻雷達(dá)波發(fā)射，探測(cè)數(shù)據(jù)量多，同時(shí)又在鉆孔 內(nèi)避開井下人為的強(qiáng)干擾背景（由于鉆孔周圍圍巖單一，沒有掘進(jìn)機(jī)、底板的鐵軌、工字鋼 支護(hù)、錨桿支護(hù)、運(yùn)輸皮帶支架等各種金屬設(shè)施），提高微弱信號(hào)的識(shí)別和處理能力，這樣可 確保探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為指導(dǎo)巷道掘進(jìn)提供更科學(xué)的依據(jù)。
[0021] (3)采用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)探測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)顯示探測(cè)結(jié)果，自動(dòng)分析成圖并進(jìn) 行預(yù)報(bào)，無(wú)需復(fù)雜的人工數(shù)據(jù)分析和處理階段;能為地質(zhì)探測(cè)人員快速給出可靠的分析預(yù) 報(bào)資料。因此，本發(fā)明的裝置具備可操作性、有效性和實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)。
[0022] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)巷道鉆孔超前探測(cè)，利用巷道超前(在巷道掘進(jìn)面的前方進(jìn)行鉆孔，相 對(duì)掘進(jìn)面，鉆孔向如方鉆進(jìn)）的鉆孔進(jìn)彳丁物探，對(duì)鉆孔周圍半徑0~30米范圍內(nèi)進(jìn)彳丁精細(xì)掃 描近距離探測(cè)，是鉆探和物探有機(jī)的結(jié)合，這樣既可提高物探的探測(cè)精度又可減少鉆探的 鉆孔數(shù)量，做到掘進(jìn)巷道超前精準(zhǔn)探測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)部分的使用狀態(tài)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明中現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖3為本發(fā)明中探頭的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖4為本發(fā)明中探頭中PVC塑料管內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 其中，1一現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)、1.1一中央處理器、1.2-第二存儲(chǔ)器、1.3-人機(jī)交互設(shè)備、 1.4 一主機(jī)網(wǎng)口、1.5-系統(tǒng)總線、2-探頭、2.1-發(fā)射天線、2.2-接收天線、2.3-雷達(dá)波{目 號(hào)發(fā)射模塊、2.4-雷達(dá)波信號(hào)接收模塊、2.5-單片機(jī)、2.6-電池、2.7-探頭網(wǎng)口、2.8- 第一存儲(chǔ)器、2.9-三維電子羅盤、3-網(wǎng)線電纜、4 一推桿、5-待測(cè)鉆孔、6-發(fā)射天線圓柱 形安裝座、7-接收天線圓柱形安裝座、8-巷道、9一圍巖、10-PVC塑料管。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施