激光熔覆技术煤矿应用：新锐特刊
激光熔覆技术煤矿应用：新锐特刊（2）基于深度计算系数与电阻率的关系曲线推导出深度–电阻率与采样时间的映射关系，实现了反演电阻率与测点测道的一一对应。 （1）提出一种利用掘进工作面前方500m长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变电磁探测方法，该方法可实现超长距离水害超前探测。 视频讲解 2 创新点
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巷道快速掘进日进尺可达50m以上 而矿井地球物理超前探测的有效距离仅80~100m 探测精度受井下复杂环境影响也较低 因此探掘接续紧张矛盾已成为制约巷道掘进速度的最重要影响因素。为了解决煤矿井下掘进工作面前方的探测深度与探测精度的矛盾 利用定向钻孔进行瞬变电磁探测工作 可以在掘进前开展远距离、高精度的隐伏水害超前预报。钻孔瞬变电磁法当前的立体解释还处于定性水平 有必要引入机器学习中的聚类算法实现智能识别水平分量异常形态。
为此，中煤科工集团西安研究院有限公司范涛副研究员在《煤炭学报》2021年第2期“新锐科学家”特刊撰文“基于钻孔TEM智能立体成像的快速掘进超前探测方法”，为方便大家深入了解本文内容，《煤炭学报》邀请范涛副研究员通过视频对相关成果进行了详解。
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视频讲解
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创新点
（1）提出一种利用掘进工作面前方500m长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变电磁探测方法，该方法可实现超长距离水害超前探测。
（2）基于深度计算系数与电阻率的关系曲线推导出深度–电阻率与采样时间的映射关系，实现了反演电阻率与测点测道的一一对应。
（3）采用K-means聚类算法智能定位孔旁异常体分布象限，结合XOY平面旋转角算法和空间坐标校正，实现了非直定向钻孔径向的电阻率立体成像。
（4）通过煤矿井下的工程实践，证明定向钻孔瞬变电磁立体成像方法可为掘进前工作面前方500m距离内隐伏水害远距离精准超前探测提供技术支撑，进一步通过接续钻进 探测可有效保障巷道快速掘进。
作者简介
范涛，男，1983年2月18日生，陕西白水人，博士，副研究员，中煤科工集团西安研究院有限公司二级首席科学家，山东大学、西安电子科技大学企业硕士研究生导师。主持国家自然科学基金1项、陕西省自然科学基础计划研究项目2项，主持、参与其他国家级、省部级科研项目20余项，发表论文47篇，其中，SCI，EI，CPCI-S检索16篇，授权发明专利16项、实用新型专利5项，软件著作权20项，主持、参与行业标准编写2项，获各类奖项18项。
研究方向
矿井/钻孔地球物理探测
主要成果
致力于煤矿井下掘进工作面和回采工作面隐伏水害探测方法与装备的研究，形成了矿井大电流高精度瞬变电磁超前探测技术与装备体系，为煤矿提供了快速精准的水害物探手段。在瞬变电磁拟地震反演解释理论和虚拟波场全波形反演技术方面，取得多项创新，提出新的井下隐蔽致灾水体孔中精细探查技术，研发出我国煤矿第一套钻孔瞬变电磁三分量测量装备和资料处理办法，为煤矿安全快速生产提供了可靠的技术保障。近年来将钻孔瞬变电磁法推广至长距离定向钻孔中，将机器学习算法和深度学习算法引入到钻孔物探资料处理解释中，促进了地球物理方法与人工智能技术的有机融合，对提升我国煤矿巷道快速掘进技术水平，推动工作面透明化发展，构建本质安全型矿井，开展煤矿安全高效绿色智慧开采具有重要意义。
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摘 要
采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一 巷道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段 矿井地球物理超前探测有效距离短 探测精度受井下复杂环境影响严重 制约巷道掘进速度 为解决探掘接续紧张矛盾 提出一种利用掘进工作面前方500m长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变电磁探测方法 该方法可实现超长距离水害超前探测。
在以钻孔钻进方向为Z轴正方向 以孔口所在平面右向为X 轴正方向 下向为Y轴正方向的坐标系下 钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“正弦曲线”或“反向正弦曲线”形态 通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限 结合由水平分量异常场矢量合成得到的异常体中心偏转角度计算了异常体中心XOY平面旋转角。
在此基础上 视每一个由垂直分量反演得到的电阻率为独立异常体 基于深度计算系数与电阻率的关系曲线推导出深度-电阻率与采样时间的映射关系 实现了电阻率与测点测道的一一对应 进一步采用K-means聚类算法智能定位其分布象限 计算了其XOY平面旋转角 再以定向钻孔轨迹为旋转轴 以测点所在孔位的倾角和方位角为旋转角进行坐标空间旋转 实现了非直钻孔径向的电阻率立体成像。计算了三维数值模拟和水槽物理模拟结果 对钻孔径向的异常体均取得了良好的立体成像效果。
结合山西某煤矿井下的工程实践 对该方法远距离超前探测能力和精细立体解释掘进工作面前方地质异常体的性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:基于聚类的钻孔瞬变电磁立体成像方法是地球物理与机器学习的有机结合 该方法能够为井下掘进工作面隐伏水害超前探测精细解释提供技术支撑 此外 在掘进前开展定向钻孔中的长距离瞬变电磁水害立体超前探测 可有效保障巷道高效快速掘进。
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部分图片
模型示意
模型的水平分量异常响应
异常位于不同象限时水平分量响应形态
异常偏转角示意
特征值分布
矿井装置与钻孔装置实测曲线对比
深度系数与电阻率的关系
新、原坐标系相对关系
数值模型示意
数值模型电阻率剖面
单测点电阻率展开平面
模型施工示意
物理模型电阻率剖面
单测点电阻率展开平面
电阻率立体成像
03工作面定向钻孔开孔位置剖面
实测数据电阻率剖面
单测点电阻率展开平面
电阻率立体成像
范涛副研究员相关成果
1.范涛 张幼振 赵睿 等. 基于钻孔TEM 智能立体成像的快速掘进超前探测方法[J]. 煤炭学报 2021 46(2):578-590.
2.范涛.基于钻孔瞬变电磁的煤层气压裂效果检测方法[J].煤炭学报 2020 45(9):3195-3207.
3.范涛.矿井巷道-钻孔瞬变电磁二维拟地震反演方法及应用[J].煤炭学报 2019 44(6):1804-1816.
4.范涛.孔巷瞬变电磁动源定接收方法探测采空区试验[J].煤炭学报 2017 42(12):3229-3238.
5.范涛 程建远 王保利 等.应用瞬变电磁虚拟波场成像方法检测井下煤层气水力压裂效果的试验研究[J].煤炭学报 2016 41(7):1762-1768.
来源：
范涛 张幼振 赵睿 等. 基于钻孔TEM 智能立体成像的快速掘进超前探测方法[J]. 煤炭学报 2021 46(2):578-590.
FAN Tao ZHANG Youzhen ZHAO Rui et al. Advance detection method of rapid excavation based on borehole TEM intelligent stereo imaging[J]. Journal of China Coal Society 2021 46(2):578-590.
责任编辑：韩晋平
编辑整理：郭晓炜
审核：常 琛
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