近日，2020年度山西省科学技术奖公布，由晋能控股集团自主研发设计的随钻钻孔电磁波层析成像超前探水设备及方法研究获得一等奖。

  该研究成果在晋能控股集团不同地质条件下的矿井中应用后，实现了巷道掘进时钻探和物探有机结合的随钻超前探测。技术人员只需钻一个超前探孔，就可以探明以探孔为中心、30米半径范围内的含水体。与传统的超前钻探技术相比，这个超前探孔量只有前者的1/5，既节省了工程费用，又提高了掘进效率和生产效率。这一成果应用3年来，新增煤炭产量62.15万吨，新增利润1.285亿元。

一种实现超前预测预报的新技术

  巷道超前探测的主要目的是在掘进巷道内判断掘进方向是否存在富水体、导水通道等，为巷道安全掘进提供详细的探测资料。

  目前，煤矿井下超前水文勘探使用的物探设备存在勘探深度和广度的局限性。一些煤矿先将钻孔钻到位，然后退出钻杆，再将探测设备送入进行探测，一旦遇到钻孔变形、塌孔，探测工作便无法进行，甚至钻孔的同时还会出现透水危险。因此，超前物探后，煤矿还必须采用施工强度高、成本高的钻探进行验证。研发一种能够在钻进的同时进行超前探测的装置，并及时显示探测信息、分析结果，才是解决上述问题的关键。

  “我们的目标就是将钻探与物探的优势叠加，利用不同频率的电磁波探测钻孔周围不同半径范围内的岩层地质特征，实现巷道掘进时随钻超前探测。钻孔最大的意义在于保护电磁波探头消除井下金属设备对电磁波造成的干扰，提高微弱信号的识别和处理能力。探测结果准确可靠，探孔数量就会减少，可操作性也就随之上来了。”晋能控股集团山西科学技术研究院公司副总经理王东说。

  为此，他们提出，将探测探头安装于钻机的钻头和钻杆之间，通过螺纹连接并置于正在钻进的钻孔中，实现钻探物探优势叠加。经过多项试验，最终他们收到了预期效果。

  “随着钻孔的钻进，相邻测点的测试结果可以相互验证，准确可靠，实时显示探测结果，自动分析成图并进行预报，无需复杂的人工数据分析和处理。”晋能控股集团山西科学技术研究院公司高新技术管理部部长庞明鑫说，“这一方法不存在钻孔坍塌等问题，而且使钻孔探测无盲区、无死角。”

一种突破性的电磁发射接收探头

  在现有的井下电磁波探测方法中，巷道空间为电磁探头的布置提供了便利条件。但要在钻孔中进行电磁波勘探，布置电磁探头就成了非常棘手的问题，一要保证煤矿井下工作的安全性和可操作性，二要保证钻杆的强度和电子设备的抗振性能。

  为了获得精准的理论数据，晋能控股集团的科研团队做了大量试验。他们将电极设计、活动连接头设计、密封件设计等进行层层任务分解，逐级确立各部分的技术目标，并对各部分先单独测试、再联合测试。最终，他们确定使用采集铍铜。这种材料使用后没有余磁特性，不会干扰三维罗盘的钻孔轨迹测量，而且强度高、耐磨性好。

  随后，研究团队又将目光投向随钻电磁发射接收探测探头等方面。为保证发射的电磁信号与接收的电磁信号有效穿透，他们采用航空级工程PE塑料管作为电磁发射接收的透电磁波窗。 随后，研究团队又将目光投向随钻电磁发射接收探测探头等方面。为保证发射的电磁信号与接收的电磁信号有效穿透，他们采用航空级工程PE塑料管作为电磁发射接收的透电磁波窗。

  庞明鑫介绍说：“为保证探测探头与随钻钻杆之间过水通道畅通，我们让尼龙隔震器与钻杆只保留三个接触点，且所有电路板都采用密封硅胶材料进行灌封，既提高探测电路的抗震性能，又起到了很好的防水作用。” 庞明鑫介绍说：“为保证探测探头与随钻钻杆之间过水通道畅通，我们让尼龙隔震器与钻杆只保留三个接触点，且所有电路板都采用密封硅胶材料进行灌封，既提高探测电路的抗震性能，又起到了很好的防水作用。”

  他们设计出了随钻电磁发射接收探测探头，剩下的就是研究电磁波层析成像超前自动探测的操作方法。经过研究，他们决定增加钻杆时间和钻孔深度，通过探头的蓝牙读取随钻探测探头的数据，并计算得到各个频率电磁波的响应值所对应的视电阻率值和相应频率的探测半径，生成随钻钻孔周围围岩的视电阻率图谱和随钻钻孔的轨迹图。 他们设计出了随钻电磁发射接收探测探头，剩下的就是研究电磁波层析成像超前自动探测的操作方法。经过研究，他们决定增加钻杆时间和钻孔深度，通过探头的蓝牙读取随钻探测探头的数据，并计算得到各个频率电磁波的响应值所对应的视电阻率值和相应频率的探测半径，生成随钻钻孔周围围岩的视电阻率图谱和随钻钻孔的轨迹图。

  “我们已经在集团不同地质条件下的矿井中进行了随钻电磁波探测试验，并在最后形成了一套完善的随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法。这项技术可以合理减少超前探孔的数量，降低因超前探孔而导通隔水体的几率，也可以探明前方的含水体，探明顶底板、相邻煤层或采区的含水体的情况。这项技术的超前探测区域更大，信息更详实，更有利于预防水害事故的发生。”晋能控股集团山西科学技术研究院公司技术产业运营管理中心王奇生说。“我们已经在集团不同地质条件下的矿井中进行了随钻电磁波探测试验，并在最后形成了一套完善的随钻钻孔电磁波层析成像超前探测装置及方法。这项技术可以合理减少超前探孔的数量，降低因超前探孔而导通隔水体的几率，也可以探明前方的含水体，探明顶底板、相邻煤层或采区的含水体的情况。这项技术的超前探测区域更大，信息更详实，更有利于预防水害事故的发生。”晋能控股集团山西科学技术研究院公司技术产业运营管理中心王奇生说。