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摘要：针对现有超前探测仪孔内贴壁耦合装置使用过程中存在的长度长、重量大、煤矿下井携带不便、难以取出回收等问题，根据地震波的特点优化设计了2种孔内贴壁耦合方案。通过对实验数据、综合性能与耦合装置的便利性进行综合评估，结果表明：弹片耦合装置更适用于煤矿井下地震波超前探测，且具有干扰波少、稳定性好的探测优势，可以达到回收利用、便携安装、施工简易的目的。
关键词：超前探测；地震波；耦合装置；弹片耦合
0引言
我国对于矿井物探设备有明确的标准与限制，如GB/T3836.1已对矿井仪器设备做出了明确的要求。要将地面技术应用到矿井下则需有所取舍。目前国内外针对隧道、煤矿等地下工程施工（掘进）前方的隐蔽地质灾害体的预测预报，主要有钻探和物探2种手段。其中，物探手段主要有地震波勘探、电法勘探、电磁波勘探、声波勘探等。地震波勘探是其中最为重要的勘探手段之一。对于地震波勘探，接收传感器耦合装置的耦合效果对勘探结果有着至关重要的作用。同样，接收传感器耦合装置的便携使用性、能否回收利用节省成本等现实条件也制约着矿井地震波勘探的使用和发展。地震波勘探中目前成熟的一种方法即为超前探测，超前探测需要在前方巷道、隧道的一侧帮等间距设24个炮孔，最后设1个接收传感器孔，通过连续放炮采集地震波数据对前方地质构造进行分析。为此，本文对超前探测仪的孔内贴壁耦合装置进行研究与优化设计。
1现有孔内贴壁耦合装置存在的问题
目前无论是矿井超前探测还是隧道超前探测都是优先打直径φ50mm、深2m的钻孔，该尺寸打孔不需要大型机器，仅需1人携带1台便携钻孔机器就能够操作施工，打孔效率较高，同时能够满足传感器探头的孔径需求。钢管通过树脂粘合剂与孔壁进行固化耦合，传感器探头与钢管内部通过刚性接触耦合，钢管方孔内设有1.5mm三角导向槽，传感器探头设有三角导向轨及1个弹性顶柱实现耦合。此种形式的优点是耦合比较稳定，而缺点是钢管需要最少2m长、φ34mm的最大外径，笨重不易携带；同时为了保证探头与钢管的耦合性能，钢管内部必须尺寸精度较高，才能将传感器探头在刚性耦合的情况下推进钢管内近2m。这就造成钢管会产生一部分废品，提高了制造成本。另外，由于施工过程中钻孔与钢管通过树脂粘合剂进行固化耦合后不能取出回收，钢管只能作为一次性消耗品，再次造成了成本提高，同时可能存在安全隐患。
2孔内贴壁耦合装置的优化设计方案
（1）通过树脂粘合剂耦合的组装便携式耦合装置设计
根据前期经验积累与数据验证，同样采用φ50mm、深2m钻孔，据此设计传感器耦合装置。通过借鉴前期孔内贴壁耦合装置的原理进行优化设计，以保证耦合效果为主，依旧采用传感器套筒与钻孔通过树脂粘合剂耦合的方式；传感器套筒采用Q235A材料，传感器壳组内设弹性圈，通过增加传感器套筒与传感器壳组的磁铁吸附力增强弹压耦合刚性，将传感器套筒设计减短以减轻重量与成本，同时达到便携化目的。设计传感器取出防护罩，保证树脂粘合剂不会流入传感器套筒连接盖而影响传感器连接盖的旋取，进而影响传感器取出回收。推进杆设计为多段联接式，端头设有小飞扳手套筒孔，方便调整传感器方向同时进行标准化设计，使得传感器Z轴对准震源方向。
（2）弹片耦合装置的设计
采用φ50mm、深2m钻孔设计传感器弹片耦合装置。通过借鉴“一种适用于超前地质预报检波器钻孔耦合装置及使用方法”专利中所用的鱼鳞簧片支撑耦合，设计传感器弹片耦合装置，由锥头、弹片耦合器、传感器主体、垫块、嵌轴、嵌套、组合式推进杆等组成。锥头主要作用为减少推进阻力；弹片耦合器为4支拱形弹片，压缩后4支弹片依靠张力紧压孔壁，同时与传感器主体为刚性联接；传感器主体内装有三轴加速度传感器，通过固定孔位紧固与传感器主体刚性联接，从而有效接收地震波信号。垫块设有传感器连接线缆出口孔位；嵌轴嵌套组合设计为弹片耦合器的伸缩装置，以容纳弹片耦合器的弹片在压缩状态下的伸长量。组合式推进杆为螺纹联接，多段组合减小最短长度，端头设有小飞扳手标准的孔位，方便调整方向的同时进行标准化设计，从而使传感器Z轴对准震源方向。
33种耦合装置实验及效果对比分析
设计实验方案为在同一震源的情况下，设置3个接收孔位，分别安装钢管耦合装置、组装便携式耦合装置、弹片耦合装置。采用同一型号三轴加速度传感器，在韩城矿务局桑树坪煤矿某掘进巷道进行了对比实验。根据实验结果进行分析。实验数据如图4、图5、图6所示。对比图4、图5和图6的X分量、Y分量、Z分量波形图可以看出，3种耦合装置接收到X、Y、Z三个方向上的地震波信号波形特征大体一致，其地震波传播规律均符合设计的观测系统。其中钢管耦合装置与组装便携式耦合装置的试验数据更相近，所接收的数据存在高频尖脉冲的背景干扰波，推测为探头与钢管耦合效果不佳产生的高频振荡。弹片耦合装置由于传感器为螺栓紧固在传感器主体上，相当于与钻孔围岩直接接触，消除了因传感器与钢管、传感器套筒之间耦合不良而产生的高频干扰波。对比图4、图5和图6的频谱图可以看出，3种耦合装置的3个分量数据频谱带宽基本相同，有效频带范围均为100～1000Hz,且弹片耦合装置X、Y、Z这3个分量的频谱特征相近，一致性更好，性能稳定。综上分析，认为弹片耦合装置更适用于煤矿井下地震波超前探测，且具有干扰波少、稳定性好的探测优势；并且可以达到回收利用、便携安装、施工简易的目的。该方案为最佳方案。
4结语
（1）阐述了钢管耦合装置的作业特点，并提出了目前存在所使用的钢管为一次性消耗品、不能取出回收、并且可能存在安全隐患的问题；
（2）据此设计了2种新型方案，并通过同等条件下的实验对比确定弹片耦合装置为最佳方案；
（3）弹片耦合装置更适用于煤矿井下地震波超前探测，具有干扰波少、稳定性好的探测优势，并且可以达到回收利用、便携安装、施工简易的目的。
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作者:杨鹏飞 单位:中煤科工集团重庆研究院有限公司