地質(zhì)雷達(dá)在煤礦地質(zhì)探測的應(yīng)用

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摘要：為保證煤礦巷道掘進(jìn)過程中的安全性，提高巷道掘進(jìn)效率，以某礦3001進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷為工程背景，引進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)超前探測技術(shù)。介紹了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理以及在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，基于某礦實(shí)際地質(zhì)條件分析了地質(zhì)雷達(dá)的探測方法、數(shù)據(jù)處理流程和異常解釋原則，對掘進(jìn)巷道陷落柱、破碎帶及煤巖交界面等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了探測，與巷道實(shí)際掘進(jìn)揭露情況對比驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果與巷道實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造情況基本一致，減少了人物料的投入使用，提高了巷道掘進(jìn)效率，保障了巷道掘進(jìn)安全性。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);超前探測;數(shù)據(jù)處理;地質(zhì)異常

煤礦災(zāi)害頻發(fā)是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要因素，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造加大了煤層開采的技術(shù)難度，防透水及瓦斯突出成為采礦科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1-2]。近年來，眾多學(xué)者將瞬變電磁法、地震法和高密度電法等地球物理勘探技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下探測，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性及空間的有限性，地質(zhì)雷達(dá)難以發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)時(shí)成像效果減弱，探測精度大幅降低[3-4]。隨著雷達(dá)技術(shù)的日益發(fā)展，部分科研機(jī)構(gòu)研發(fā)出井下防爆地質(zhì)雷達(dá)[5]。段毅[6]以常村煤礦皮帶順槽為工程背景，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探明了反掘巷側(cè)幫及迎頭面的地質(zhì)構(gòu)造情況，確定了含水區(qū)域的位置和深度，一定程度上降低了對煤礦安全生產(chǎn)的威脅。李冬[7]通過改變地質(zhì)雷達(dá)的頻率對掘進(jìn)工作面進(jìn)行超前探測，分析了相應(yīng)雷達(dá)型號的檢測效果。本文通過分析地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，介紹了儀器探測方法、數(shù)據(jù)處理流程及異常解釋原則，對某礦3001進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷進(jìn)行探測，分析驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)在煤礦的應(yīng)用效果。

1地質(zhì)雷達(dá)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)一般由主機(jī)、顯示器、傳輸線和天線（發(fā)射天線和接收天線）四部分組成。其工作原理為雷達(dá)發(fā)射天線向檢測物內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波，由于目標(biāo)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，造成電磁波到達(dá)時(shí)間、相位、振幅及波長等因素的變化，雷達(dá)主機(jī)記錄接收天線收集的電磁波特征數(shù)據(jù)，經(jīng)加工處理形成監(jiān)測斷面的掃描圖像，通過對圖像進(jìn)行判讀和精確計(jì)算，確定目標(biāo)物的位置和深度。其工作原理見圖1所示。與電磁波問題相同，運(yùn)用麥克斯韋方程進(jìn)行求解。探測目標(biāo)物埋藏深度為：H=tc/（2E姨r）.（1）式中：t為雷達(dá)電磁波傳播時(shí)間，ns；c為電磁波在真空中傳播速度，取0.3m/ns；Er為介質(zhì)的相對介質(zhì)常數(shù)。雷達(dá)電磁波在不同介質(zhì)中的介電常數(shù)不同，介電常數(shù)相差越大雷達(dá)圖像越明顯。我國煤礦常見的介質(zhì)介電常數(shù)見表1。

2地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用特點(diǎn)

由于地質(zhì)雷達(dá)具有裝置輕便、施工簡單和探測精度高等優(yōu)勢，在煤礦領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，地質(zhì)雷達(dá)可解決以下問題：1）煤層厚度探測，可能存在的煤層瓦斯突出帶探測。2）地質(zhì)異常檢測，包括斷層、采空區(qū)、陷落柱等異常體的位置和深度探測，以確保綜采工作面推進(jìn)過程中的安全。3）其他未知地質(zhì)異常情況的探測。

3地質(zhì)雷達(dá)在煤礦探測中的應(yīng)用研究

于某礦3001回風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面布置雷達(dá)測站，探測雷達(dá)信號接收范圍內(nèi)的斷層、采空區(qū)和積水區(qū)域等異常位置。某礦可采煤層為3號、9號和15號煤層，現(xiàn)主采3號煤層，煤層厚度為2.1~2.5m，平均為2.3m。采煤方法為走向綜采一次采全高法，采用全部垮落法管理頂板。3001進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷長度分別為700m、650m，巷道斷面形狀為半圓拱形，寬4.2m，高3.5m。于某礦3001進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)行掘進(jìn)工作面布置地質(zhì)雷達(dá)測站，雷達(dá)型號為中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)，雷達(dá)天線主頻為100MHz。手動打標(biāo)進(jìn)行定位，測量過程中需保證儀器的平穩(wěn)移動，以提高地質(zhì)雷達(dá)的探測精度。地質(zhì)雷達(dá)測線布置如圖2所示。現(xiàn)場施工時(shí)人工托舉將雷達(dá)天線緊貼至掘進(jìn)工作面，設(shè)置采樣時(shí)窗為520ns，采樣點(diǎn)數(shù)為1024。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)雷達(dá)接收天線收到的信號繁雜，其中包括了眾多干擾信號，所以必須對接收信號進(jìn)行預(yù)處理，目的是盡可能排除亂雜信號，提高雷達(dá)成像的分辨率。圖像處理步驟為：零點(diǎn)校正→背景去噪→濾波→增益處理。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程見圖3所示。根據(jù)接收信號記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，采用時(shí)間剖面和頻率剖面對地質(zhì)雷達(dá)信號進(jìn)行綜合異常解釋。地質(zhì)雷達(dá)探測目標(biāo)物時(shí)，發(fā)射天線發(fā)出的電磁波遇到破碎區(qū)域時(shí)發(fā)生散射現(xiàn)象，造成其時(shí)間和頻率剖面發(fā)生變化。雷達(dá)監(jiān)測成果解釋主要依據(jù)不同探測物的地球物理特征產(chǎn)生的電磁波特征形態(tài)，包括振幅、波長和相位等不同物理參數(shù)。傳播媒介的差異，促使電磁波的反射、折射及散射現(xiàn)象呈現(xiàn)多種形態(tài)，引入“介電常數(shù)”表示各介質(zhì)的形態(tài)變化，通過介電常數(shù)形成的電磁波反射特征反映煤礦井下煤層和矸石等圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與異常。

4地質(zhì)雷達(dá)探測效果分析

搜集3001進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷雷達(dá)信號數(shù)據(jù)，經(jīng)零點(diǎn)校正、去噪和濾波等相關(guān)流程后進(jìn)行數(shù)據(jù)成像，對該區(qū)域內(nèi)陷落柱、破碎帶、煤巖交界面和巖體結(jié)構(gòu)變化區(qū)進(jìn)行超前探測。探測結(jié)果有：1）陷落柱異常探測。3001回風(fēng)巷探測結(jié)果如圖4所示。圖中黑色虛線范圍表示陷落柱區(qū)域，出現(xiàn)在距掘進(jìn)工作面前方5.1~6.5m處及9.2~11.8m處。陷落柱區(qū)域與正常區(qū)域相比，前者反射現(xiàn)象更為明顯；異常區(qū)域1與區(qū)域2相比，前者反射幅度差異較大，說明區(qū)域1內(nèi)巖石發(fā)生破碎，而區(qū)域2表現(xiàn)為巖體的整體沉陷。2）破碎帶異常探測。由3001進(jìn)風(fēng)巷探測結(jié)果可知，位于掘進(jìn)工作面左側(cè)2.1m處存在1個(gè)條形帶狀異常反射區(qū)，沿ES45°方向延伸至距工作面右側(cè)3.5m處，區(qū)域?qū)挾燃s為45cm，判斷為煤層破碎帶。距掘進(jìn)面前方5~8m處存在塊狀異常反射區(qū)域，判斷為異常結(jié)構(gòu)區(qū)。3）煤巖交界面探測結(jié)果。分析3001進(jìn)風(fēng)巷地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果，可知距掘進(jìn)工作面25~30m處存在層面反射信號，反射區(qū)域呈連續(xù)狀態(tài)，判斷該區(qū)域?yàn)槊簬r層交界面。通過與巷道掘進(jìn)情況對比驗(yàn)證100MHz頻率ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)在某礦的應(yīng)用效果。在3001回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)前方5.5~6.7m處及9.0~11.2m處巷道存在碎石，存在煤層中斷現(xiàn)象。在3001進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，距探測面前方35~37m處存在一條寬為50cm左右的條形破碎帶；距掘進(jìn)面前方5.2~8.3m處煤體呈塊狀，且煤質(zhì)較硬；距掘進(jìn)面前方24.1~28.5m處出現(xiàn)較硬巖層，為煤巖交界面。巷道掘進(jìn)情況與100MHz頻率ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果基本一致，地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果較為精準(zhǔn)，省時(shí)省力，應(yīng)用效果顯著。且井下安全事故明顯減少，保障了巷道掘進(jìn)過程中的安全性。

5結(jié)論

1）陷落柱、破碎帶和斷層等多種地質(zhì)構(gòu)造的存在嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)過程中的安全性，巷道掘進(jìn)效率低下，是制約煤礦安全高效發(fā)展的關(guān)鍵因素。2）引進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)超前探測技術(shù)，分析了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，基于某礦實(shí)際地質(zhì)條件介紹了地質(zhì)雷達(dá)的探測方法、數(shù)據(jù)處理流程和異常解釋原則，對掘進(jìn)巷道陷落柱、破碎帶及煤巖交界面等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了探測，與巷道實(shí)際掘進(jìn)揭露情況對比驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用效果。3）3001回風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)巷實(shí)際推進(jìn)情況與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果基本一致，提高了巷道掘進(jìn)效率，保障了巷道掘進(jìn)安全性，應(yīng)用效果顯著。

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作者:李娟 單位:大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司