專利名稱：無源巷/隧道超前探測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于地球電磁變量的測量儀器技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種利 用天然電磁波場源探測礦山巷/隧道掌子面前方一定距離內(nèi)地下巖 性情況及地層結(jié)構(gòu)的超前探測儀。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，利用天然電磁波研制的DTY型地電探測儀在對地下 地質(zhì)巖性結(jié)構(gòu)的探測方面取得了良好的成效，該探測儀于1989年通 過煤炭科學(xué)研究總院技術(shù)鑒定，之后研發(fā)的SYT物性探測儀在1998 年又經(jīng)過了煤炭科學(xué)研究總院組織的函審鑒定，并于2000年獲得國 家煤炭工業(yè)局科技成果三等獎。2005年在《煤炭科學(xué)技術(shù)》雜志上 系統(tǒng)地介紹了該項技術(shù)最新成果 一 儀器在地面上探測一個物理點 的物性柱狀和曲線基本相當(dāng)于在地面鉆一個鉆孔后獲得的巖性柱狀 和電阻率曲線。但以上探測儀器和探測技術(shù)都是在地面上對地下煤層 進行探測，多年來在煤炭系統(tǒng)工作的工程技術(shù)人員一直希望能在礦井 井下掌子面對煤層厚度的變化進行超前探測，特別是我國南方地區(qū)有 廣泛分布的雞窩狀煤層，由于煤層的厚度、面積等大多無規(guī)律可 循， 這種煤層給開采工作帶來極大的困難，容易出現(xiàn)因礦山巷/隧道掌子 面前方地質(zhì)情況不明而引起各種礦難及事故發(fā)生等情況,所以目前本 領(lǐng)域?qū)孪?隧道煤層超前探測儀的需求更為迫切。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一 種設(shè)計結(jié)構(gòu)先進的無源巷/隧道超前探測儀，利用該探測儀可在煤田 礦井生產(chǎn)現(xiàn)場或隧道施工現(xiàn)場方便操作并準(zhǔn)確探測出前方可能存在
的各種地質(zhì)情況，減少因前方地質(zhì)情況不明所引起的各種礦難的發(fā)生 或隧道施工中可能出現(xiàn)的各種事故。
用于實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的該無源巷/隧 道超前探測儀的儀器主機由探測傳感器、信號采集器以及數(shù)據(jù)采集器 組成，所說的信號采集器包括兩個相互并聯(lián)設(shè)置的信號采集器，其中 的一個信號采集器由前置放大電路、帶通濾波電路、50Hz陷波電路、 單一頻率放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，另一個信號采集器由前置放 大電路、帶通濾波電路、50Hz陷波電路、多道選頻放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路組成，探測傳感器的一路輸出端信號依次經(jīng)第一信號采集器 的前置放大電路、帶通濾波電路、50Hz陷波電路、單一頻率放大電 路、A/D轉(zhuǎn)換電路接至數(shù)據(jù)采集器的輸入端，探測傳感器的另一路輸 出端信號依次經(jīng)第二信號采集器的前置放大電路、帶通濾波電路、 50Hz陷波電路、多道選頻放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路接至數(shù)據(jù)采集器的 輸入端。在上述設(shè)計方案中述及的探測傳感器采用本實用新型設(shè)計者 1993年申報的國家專利技術(shù)產(chǎn)品 一 平行板電容傳感器(專利名稱 八方位侯風(fēng)地震儀傳感器，專利號ZL93212653.7),這種探測傳感 器可使儀器準(zhǔn)確監(jiān)測到地質(zhì)體受到地應(yīng)力作用后產(chǎn)生的天然電磁波 異常具體來自哪個方位。
無源巷/隧道超前探測儀探測的場源和DTY型地電探測儀、SYT 型物性探測儀等一樣接收的全是天然電磁波，不同的是DTY型地電探 測儀、SYT型物性探測儀接收的是天然電磁波場源中的天電部分，而
無源巷/隧道超前探測儀接收的則是天然電磁波場源中地電部分中 的二次場。
天然電磁波場源地電部分中的二次場是指地下不同電性層的地 質(zhì)體在地磁脈動作用下所激發(fā)的輻射場，這部分輻射場輻射的電磁波 頻譜、強度是受地層的物理化學(xué)特征等因素控制的。由于它的激發(fā)場
是地磁脈動，所以其頻率變化范圍基本與地磁脈動的頻譜相同。它們
的強度很弱，大約是天電部分的1/3-1/4，其變化幅度根據(jù)我們多年 的觀察記錄大約在lpV土。地下電性層中物質(zhì)的分子或原子在地磁脈 動作用下，激發(fā)的二次場對外是一種漫輻射的形式，在與巷道所在的 地層剖面垂直的平面(該平面距巷道掌子面為某一距離)上的某一點 位的任何分子、原子對外的漫反射，相對于巷道掌子面某一點來講， 都基本可以找到與之對稱的基本等效輻射量點位的分子、原子，這樣
在巷道掌子面前探測時，就可以認(rèn)為不同層位的分子不是漫反射，而 是向著某個方向的單一輻射。于是當(dāng)儀器在掌子面前探測時，如果煤 層是水平的，那么煤層中的分子、原子的輻射量基本是相同的，不同 的是距離掌子面的距離不同，輻射量的衰減程度不同。當(dāng)煤層有一定 傾角時，只要儀器的傳感器法線方向與煤層厚度的中心線延伸方向一 致，其探測機理就同煤層是水平的一樣；如果穿越煤層，物質(zhì)成分發(fā) 生了變化，分子、原子的反射量也就發(fā)生了明顯的變化。這樣儀器接 收的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件程序處理后，就很容易識別煤層厚度(礦體)的變化 以及煤層前方有無小斷層或破碎帶等情況。

圖1為本實用新型儀器主機部分的總體框圖。 圖2為圖1中兩個信號采集器的前置放大、帶通濾波及50Hz陷 波電路部分的電路聯(lián)接圖。
圖3為圖1中多道選頻放大電路部分的電路聯(lián)接圖。 圖4為該儀器的探測施工示意圖。 圖5為小窯巷道超前探測成果圖。
具體實施方式

參見附圖，這種無源巷/隧道超前探測儀的機部件組成包括圖4 所示的四部分可以調(diào)節(jié)巷道所在方位、儀器探測角度的三角支架
13;儀器主機14; 24伏直流電源15;筆記本計算機16。其中儀器主 機部分的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由探測傳感器1、信號采集器以及
信號采集器7組成，所說的信號采集器包括兩個相互并聯(lián)設(shè)置的信號 采集器I、 II,內(nèi)中的一個信號采集器I由前置放大電路2、帶通濾 波電路3、 50Hz陷波電路4、單一頻率放大電路5、 A/D轉(zhuǎn)換電路6 組成，另一個信號采集器II由前置放大電路12、帶通濾波電路ll、 50Hz陷波電路10、多道選頻放大電路9、 A/D轉(zhuǎn)換電路8組成，探測 傳感器采用平行板電容傳感器。各電路的工作聯(lián)接方式為探測傳感 器1的一路輸出端信號依次經(jīng)第一信號采集器I的前置放大電路2、 帶通濾波電路3、 50Hz陷波電路4、單一頻率放大電路5、 A/D轉(zhuǎn)換 電路6接至數(shù)據(jù)采集器7的輸入端，探測傳感器1的另一路輸出端信 號依次經(jīng)第二信號采集器II的前置放大電路12、帶通濾波電路11、 50Hz陷波電路10、多道選頻放大電路9、 A/D轉(zhuǎn)換電路8接至數(shù)據(jù)采 集器7的輸入端。
本實用新型儀器主機中兩個信號采集器I 、 II的各前置放大電路 2、 12、帶通濾波電路3、 11以及50Hz陷波電路4、 10部分的電路聯(lián) 接圖如圖2所示，圖中運算放大器A,采用型號為LM358的器件，A5 采用型號為LM358的器件，而A2、 A3、 A4、 A6、 A7均采用型號為0P-07 的器件。
儀器主機內(nèi)第二信號采集器II中的多道選頻放大電路9的結(jié)構(gòu) 如圖3所示，它具有一只型號為0P-07的選頻放大器，在0P-07的選
頻放大器的2腳和6腳間聯(lián)接有由多擋選頻電阻Ri、 R2、 R3、 R4........
R，、電子選頻開關(guān)K和定值電阻RA、 RB組成的雙T網(wǎng)絡(luò)負(fù)反饋電路, 各選頻電阻R,、 R2、 R3、 R4........ R咖的阻值由公式
計算得出。
儀器主機內(nèi)的兩個A/D轉(zhuǎn)換電路6、 8和數(shù)據(jù)采集器7均由中心 處理器CPU (型號為80cl96kc)的器件構(gòu)成，單一頻率放大電路由型 號為LM358和0P-07的器件組成的公知電路構(gòu)成。
本實用新型的具體實施應(yīng)用情況如圖4所示。實際探測時，將該 儀器中承托主機14的三角支架13在巷/隧道掌子面17的前端支好， 通過上調(diào)角器18和下調(diào)角器19調(diào)好角度，使儀器的傳感器與巷道掌 子面17平行，儀器的高度等于煤層厚度的二分之一。首先探測與煤 層平行的測線，然后向上、下調(diào)儀器的傾角， 一般在一個點位探測5 條測線即可。工作時，通過電子選頻開關(guān)K來控制依次切換接通各選 頻電阻R,、 R2、 R3、 R4 ......、 R,。。，這時筆記本計算機采集的電壓值分
別代表探測前方lm、 2m、 3m、 4m、 ....... 100m地質(zhì)體輻射過來的天
然電磁波量值的大小，然后再利用數(shù)理方程將這些電壓值轉(zhuǎn)化為地質(zhì) 體的反射系數(shù)，結(jié)合已知地質(zhì)資料，就可以解釋出探測前方巖性厚度 (礦體)變化，巖層破碎帶、小斷層的產(chǎn)狀，并馬上在微機上顯示出 前方煤層厚度的變化，如果發(fā)現(xiàn)斷層，可以改變儀器探測的方位角， 再做4-5條測線，就可以確定斷層的走向和在平面上延伸的距離。
圖5是利用本實用新型儀器在江西瑞昌小煤窯做的巷道超前探 測的剖面。從圖中可以看出，在巷道前方1 9米的地方，儀器探測 的電壓值在124 177mv之間變化，很明顯，這種電壓值結(jié)合掌子面 所見到的煤層反映了煤層的特征，再往前，9 14米上部電壓值變小， 在111 87mv之間變化，下部電壓值仍在126 137mv之間，因此下 部解釋稱煤層，上部為巖石。據(jù)此逐漸往下解釋，得出巷道超前96 米范圍內(nèi)的煤層變化情況。經(jīng)過巷道掘進驗證，煤層厚度的變化基本 和探測的成果相符。
權(quán)利要求1、 一種無源巷/隧道超前探測儀，其特征在于儀器主機由探測傳感器(l)、信號采集器以及數(shù)據(jù)采集器(7)組成，所說的信號采集器 包括兩個相互并聯(lián)設(shè)置的信號采集器(I 、 II),其中的一個信號采集 器(I)由前置放大電路(2)、帶通濾波電路(3)、 50Hz陷波電路(4)、 單一頻率放大電路(5) 、 A/D轉(zhuǎn)換電路(6)組成，另 一個信號采集器(II) 由前置放大電路(12)、帶通濾波電路(ll)、 50Hz陷波電路(IO)、多 道選頻放大電路(9)、 A/D轉(zhuǎn)換電路(8)組成，探測傳感器(l)的一路 輸出端信號依次經(jīng)第一信號采集器(I )的前置放大電路(2)、帶通濾 波電路(3)、 50Hz陷波電路(4)、單一頻率放大電路(5)、 A/D轉(zhuǎn)換電 路(6)接至數(shù)據(jù)采集器(7)的輸入端，探測傳感器(1)的另一路輸出端 信號依次經(jīng)第二信號采集器(II)的前置放大電路(12)、帶通濾波電路 (11)、 50Hz陷波電路(IO)、多道選頻放大電路(9)、 A/D轉(zhuǎn)換電路(8) 接至數(shù)據(jù)采集器(7)的輸入端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源巷/隧道超前探測儀，其特征在 于第二信號采集器(II)中的多道選頻放大電路(9)具有一只型號為 0P-07的選頻放大器，在0P-07的選頻放大器的2腳和6腳間聯(lián)接有 由多擋選頻電阻Rh R2、 R3、 R4、 ......、 R1()。、電子選頻開關(guān)K和定值電阻R" RB組成的雙T網(wǎng)絡(luò)負(fù)反饋電路，各選頻電阻K、 R2、 R3、 R4、 .......R咖的阻值由公式計算得出。
專利摘要一種利用天然電磁波場源探測礦山巷/隧道掌子面前方一定距離內(nèi)地下巖性情況的無源巷/隧道超前探測儀，由探測傳感器、與探測傳感器輸出端信號聯(lián)通的兩個信號采集器以及用于接受信號采集器輸出端信號的信號數(shù)據(jù)采集器組成，利用該探測儀可在煤田礦井生產(chǎn)現(xiàn)場或隧道施工現(xiàn)場方便操作并準(zhǔn)確探測出前方可能存在的各種地質(zhì)情況，減少因前方地質(zhì)情況不明所引起的各種礦難的發(fā)生或隧道施工中可能出現(xiàn)的各種事故。
文檔編號G01V3/08GK201037869SQ20072003127
公開日2008年3月19日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者楊武洋, 王文祥, 王西漢 申請人:王文祥