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摘要：針對現有超前探測儀孔內貼壁耦合裝置使用過程中存在的長度長、重量大、煤礦下井攜帶不便、難以取出回收等問題，根據地震波的特點優(yōu)化設計了2種孔內貼壁耦合方案。通過對實驗數據、綜合性能與耦合裝置的便利性進行綜合評估，結果表明：彈片耦合裝置更適用于煤礦井下地震波超前探測，且具有干擾波少、穩(wěn)定性好的探測優(yōu)勢，可以達到回收利用、便攜安裝、施工簡易的目的。

關鍵詞：超前探測；地震波；耦合裝置；彈片耦合

0引言

我國對于礦井物探設備有明確的標準與限制，如GB/T3836.1已對礦井儀器設備做出了明確的要求。要將地面技術應用到礦井下則需有所取舍。目前國內外針對隧道、煤礦等地下工程施工（掘進）前方的隱蔽地質災害體的預測預報，主要有鉆探和物探2種手段。其中，物探手段主要有地震波勘探、電法勘探、電磁波勘探、聲波勘探等。地震波勘探是其中最為重要的勘探手段之一。對于地震波勘探，接收傳感器耦合裝置的耦合效果對勘探結果有著至關重要的作用。同樣，接收傳感器耦合裝置的便攜使用性、能否回收利用節(jié)省成本等現實條件也制約著礦井地震波勘探的使用和發(fā)展。地震波勘探中目前成熟的一種方法即為超前探測，超前探測需要在前方巷道、隧道的一側幫等間距設24個炮孔，最后設1個接收傳感器孔，通過連續(xù)放炮采集地震波數據對前方地質構造進行分析。為此，本文對超前探測儀的孔內貼壁耦合裝置進行研究與優(yōu)化設計。

1現有孔內貼壁耦合裝置存在的問題

目前無論是礦井超前探測還是隧道超前探測都是優(yōu)先打直徑φ50mm、深2m的鉆孔，該尺寸打孔不需要大型機器，僅需1人攜帶1臺便攜鉆孔機器就能夠操作施工，打孔效率較高，同時能夠滿足傳感器探頭的孔徑需求。鋼管通過樹脂粘合劑與孔壁進行固化耦合，傳感器探頭與鋼管內部通過剛性接觸耦合，鋼管方孔內設有1.5mm三角導向槽，傳感器探頭設有三角導向軌及1個彈性頂柱實現耦合。此種形式的優(yōu)點是耦合比較穩(wěn)定，而缺點是鋼管需要最少2m長、φ34mm的最大外徑，笨重不易攜帶；同時為了保證探頭與鋼管的耦合性能，鋼管內部必須尺寸精度較高，才能將傳感器探頭在剛性耦合的情況下推進鋼管內近2m。這就造成鋼管會產生一部分廢品，提高了制造成本。另外，由于施工過程中鉆孔與鋼管通過樹脂粘合劑進行固化耦合后不能取出回收，鋼管只能作為一次性消耗品，再次造成了成本提高，同時可能存在安全隱患。

2孔內貼壁耦合裝置的優(yōu)化設計方案

（1）通過樹脂粘合劑耦合的組裝便攜式耦合裝置設計

根據前期經驗積累與數據驗證，同樣采用φ50mm、深2m鉆孔，據此設計傳感器耦合裝置。通過借鑒前期孔內貼壁耦合裝置的原理進行優(yōu)化設計，以保證耦合效果為主，依舊采用傳感器套筒與鉆孔通過樹脂粘合劑耦合的方式；傳感器套筒采用Q235A材料，傳感器殼組內設彈性圈，通過增加傳感器套筒與傳感器殼組的磁鐵吸附力增強彈壓耦合剛性，將傳感器套筒設計減短以減輕重量與成本，同時達到便攜化目的。設計傳感器取出防護罩，保證樹脂粘合劑不會流入傳感器套筒連接蓋而影響傳感器連接蓋的旋取，進而影響傳感器取出回收。推進桿設計為多段聯接式，端頭設有小飛扳手套筒孔，方便調整傳感器方向同時進行標準化設計，使得傳感器Z軸對準震源方向。

（2）彈片耦合裝置的設計

采用φ50mm、深2m鉆孔設計傳感器彈片耦合裝置。通過借鑒“一種適用于超前地質預報檢波器鉆孔耦合裝置及使用方法”專利中所用的魚鱗簧片支撐耦合，設計傳感器彈片耦合裝置，由錐頭、彈片耦合器、傳感器主體、墊塊、嵌軸、嵌套、組合式推進桿等組成。錐頭主要作用為減少推進阻力；彈片耦合器為4支拱形彈片，壓縮后4支彈片依靠張力緊壓孔壁，同時與傳感器主體為剛性聯接；傳感器主體內裝有三軸加速度傳感器，通過固定孔位緊固與傳感器主體剛性聯接，從而有效接收地震波信號。墊塊設有傳感器連接線纜出口孔位；嵌軸嵌套組合設計為彈片耦合器的伸縮裝置，以容納彈片耦合器的彈片在壓縮狀態(tài)下的伸長量。組合式推進桿為螺紋聯接，多段組合減小最短長度，端頭設有小飛扳手標準的孔位，方便調整方向的同時進行標準化設計，從而使傳感器Z軸對準震源方向。

33種耦合裝置實驗及效果對比分析

設計實驗方案為在同一震源的情況下，設置3個接收孔位，分別安裝鋼管耦合裝置、組裝便攜式耦合裝置、彈片耦合裝置。采用同一型號三軸加速度傳感器，在韓城礦務局桑樹坪煤礦某掘進巷道進行了對比實驗。根據實驗結果進行分析。實驗數據如圖4、圖5、圖6所示。對比圖4、圖5和圖6的X分量、Y分量、Z分量波形圖可以看出，3種耦合裝置接收到X、Y、Z三個方向上的地震波信號波形特征大體一致，其地震波傳播規(guī)律均符合設計的觀測系統。其中鋼管耦合裝置與組裝便攜式耦合裝置的試驗數據更相近，所接收的數據存在高頻尖脈沖的背景干擾波，推測為探頭與鋼管耦合效果不佳產生的高頻振蕩。彈片耦合裝置由于傳感器為螺栓緊固在傳感器主體上，相當于與鉆孔圍巖直接接觸，消除了因傳感器與鋼管、傳感器套筒之間耦合不良而產生的高頻干擾波。對比圖4、圖5和圖6的頻譜圖可以看出，3種耦合裝置的3個分量數據頻譜帶寬基本相同，有效頻帶范圍均為100～1000Hz,且彈片耦合裝置X、Y、Z這3個分量的頻譜特征相近，一致性更好，性能穩(wěn)定。綜上分析，認為彈片耦合裝置更適用于煤礦井下地震波超前探測，且具有干擾波少、穩(wěn)定性好的探測優(yōu)勢；并且可以達到回收利用、便攜安裝、施工簡易的目的。該方案為最佳方案。

4結語

（1）闡述了鋼管耦合裝置的作業(yè)特點，并提出了目前存在所使用的鋼管為一次性消耗品、不能取出回收、并且可能存在安全隱患的問題；

（2）據此設計了2種新型方案，并通過同等條件下的實驗對比確定彈片耦合裝置為最佳方案；

（3）彈片耦合裝置更適用于煤礦井下地震波超前探測，具有干擾波少、穩(wěn)定性好的探測優(yōu)勢，并且可以達到回收利用、便攜安裝、施工簡易的目的。

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作者:楊鵬飛 單位:中煤科工集團重慶研究院有限公司