地質雷達在煤礦地質探測的應用

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摘要：為保證煤礦巷道掘進過程中的安全性，提高巷道掘進效率，以某礦3001進風巷和回風巷為工程背景，引進地質雷達超前探測技術。介紹了地質雷達的工作原理以及在煤礦領域的應用特點，基于某礦實際地質條件分析了地質雷達的探測方法、數據處理流程和異常解釋原則，對掘進巷道陷落柱、破碎帶及煤巖交界面等地質構造進行了探測，與巷道實際掘進揭露情況對比驗證了地質雷達的應用效果。結果表明：地質雷達探測結果與巷道實際地質構造情況基本一致，減少了人物料的投入使用，提高了巷道掘進效率，保障了巷道掘進安全性。

關鍵詞：地質雷達;超前探測;數據處理;地質異常

煤礦災害頻發是制約煤礦安全高效生產的主要因素，復雜的地質構造加大了煤層開采的技術難度，防透水及瓦斯突出成為采礦科學領域的研究重點[1-2]。近年來，眾多學者將瞬變電磁法、地震法和高密度電法等地球物理勘探技術應用于煤礦井下探測，由于井下環境的復雜性及空間的有限性，地質雷達難以發揮其技術優勢，實時成像效果減弱，探測精度大幅降低[3-4]。隨著雷達技術的日益發展，部分科研機構研發出井下防爆地質雷達[5]。段毅[6]以常村煤礦皮帶順槽為工程背景，運用地質雷達探明了反掘巷側幫及迎頭面的地質構造情況，確定了含水區域的位置和深度，一定程度上降低了對煤礦安全生產的威脅。李冬[7]通過改變地質雷達的頻率對掘進工作面進行超前探測，分析了相應雷達型號的檢測效果。本文通過分析地質雷達的工作原理，介紹了儀器探測方法、數據處理流程及異常解釋原則，對某礦3001進風巷和回風巷進行探測，分析驗證地質雷達在煤礦的應用效果。

1地質雷達基本原理

地質雷達一般由主機、顯示器、傳輸線和天線（發射天線和接收天線）四部分組成。其工作原理為雷達發射天線向檢測物內部發射高頻電磁波，由于目標物內部結構的不同，造成電磁波到達時間、相位、振幅及波長等因素的變化，雷達主機記錄接收天線收集的電磁波特征數據，經加工處理形成監測斷面的掃描圖像，通過對圖像進行判讀和精確計算，確定目標物的位置和深度。其工作原理見圖1所示。與電磁波問題相同，運用麥克斯韋方程進行求解。探測目標物埋藏深度為：H=tc/（2E姨r）.（1）式中：t為雷達電磁波傳播時間，ns；c為電磁波在真空中傳播速度，取0.3m/ns；Er為介質的相對介質常數。雷達電磁波在不同介質中的介電常數不同，介電常數相差越大雷達圖像越明顯。我國煤礦常見的介質介電常數見表1。

2地質雷達的應用特點

由于地質雷達具有裝置輕便、施工簡單和探測精度高等優勢，在煤礦領域得到了廣泛應用。目前，地質雷達可解決以下問題：1）煤層厚度探測，可能存在的煤層瓦斯突出帶探測。2）地質異常檢測，包括斷層、采空區、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過程中的安全。3）其他未知地質異常情況的探測。

3地質雷達在煤礦探測中的應用研究

于某礦3001回風巷與進風巷掘進工作面布置雷達測站，探測雷達信號接收范圍內的斷層、采空區和積水區域等異常位置。某礦可采煤層為3號、9號和15號煤層，現主采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進風巷與回風巷長度分別為700m、650m，巷道斷面形狀為半圓拱形，寬4.2m，高3.5m。于某礦3001進風巷和回風行掘進工作面布置地質雷達測站，雷達型號為中國礦業大學研發的ZTR12礦用本安型防爆地質雷達，雷達天線主頻為100MHz。手動打標進行定位，測量過程中需保證儀器的平穩移動，以提高地質雷達的探測精度。地質雷達測線布置如圖2所示。現場施工時人工托舉將雷達天線緊貼至掘進工作面，設置采樣時窗為520ns，采樣點數為1024。煤礦井下環境復雜，地質雷達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行預處理，目的是盡可能排除亂雜信號，提高雷達成像的分辨率。圖像處理步驟為：零點校正→背景去噪→濾波→增益處理。雷達數據處理流程見圖3所示。根據接收信號記錄的數據進行成像，采用時間剖面和頻率剖面對地質雷達信號進行綜合異常解釋。地質雷達探測目標物時，發射天線發出的電磁波遇到破碎區域時發生散射現象，造成其時間和頻率剖面發生變化。雷達監測成果解釋主要依據不同探測物的地球物理特征產生的電磁波特征形態，包括振幅、波長和相位等不同物理參數。傳播媒介的差異，促使電磁波的反射、折射及散射現象呈現多種形態，引入“介電常數”表示各介質的形態變化，通過介電常數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構的完整性與異常。

4地質雷達探測效果分析

搜集3001進風巷和回風巷雷達信號數據，經零點校正、去噪和濾波等相關流程后進行數據成像，對該區域內陷落柱、破碎帶、煤巖交界面和巖體結構變化區進行超前探測。探測結果有：1）陷落柱異常探測。3001回風巷探測結果如圖4所示。圖中黑色虛線范圍表示陷落柱區域，出現在距掘進工作面前方5.1~6.5m處及9.2~11.8m處。陷落柱區域與正常區域相比，前者反射現象更為明顯；異常區域1與區域2相比，前者反射幅度差異較大，說明區域1內巖石發生破碎，而區域2表現為巖體的整體沉陷。2）破碎帶異常探測。由3001進風巷探測結果可知，位于掘進工作面左側2.1m處存在1個條形帶狀異常反射區，沿ES45°方向延伸至距工作面右側3.5m處，區域寬度約為45cm，判斷為煤層破碎帶。距掘進面前方5~8m處存在塊狀異常反射區域，判斷為異常結構區。3）煤巖交界面探測結果。分析3001進風巷地質雷達探測結果，可知距掘進工作面25~30m處存在層面反射信號，反射區域呈連續狀態，判斷該區域為煤巖層交界面。通過與巷道掘進情況對比驗證100MHz頻率ZTR12礦用本安型防爆地質雷達在某礦的應用效果。在3001回風巷掘進過程中，發現前方5.5~6.7m處及9.0~11.2m處巷道存在碎石，存在煤層中斷現象。在3001進風巷掘進過程中，距探測面前方35~37m處存在一條寬為50cm左右的條形破碎帶；距掘進面前方5.2~8.3m處煤體呈塊狀，且煤質較硬；距掘進面前方24.1~28.5m處出現較硬巖層，為煤巖交界面。巷道掘進情況與100MHz頻率ZTR12礦用本安型防爆地質雷達探測結果基本一致，地質雷達探測結果較為精準，省時省力，應用效果顯著。且井下安全事故明顯減少，保障了巷道掘進過程中的安全性。

5結論

1）陷落柱、破碎帶和斷層等多種地質構造的存在嚴重影響了巷道掘進過程中的安全性，巷道掘進效率低下，是制約煤礦安全高效發展的關鍵因素。2）引進地質雷達超前探測技術，分析了地質雷達的工作原理，基于某礦實際地質條件介紹了地質雷達的探測方法、數據處理流程和異常解釋原則，對掘進巷道陷落柱、破碎帶及煤巖交界面等地質構造進行了探測，與巷道實際掘進揭露情況對比驗證了地質雷達的應用效果。3）3001回風巷與進風巷實際推進情況與地質雷達探測結果基本一致，提高了巷道掘進效率，保障了巷道掘進安全性，應用效果顯著。

參考文獻

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[5]崔凡，耿曉航，俞慧婷，等.基于探地雷達的煤層小構造超前探測[J].煤礦安全，2019，50（5）：153-157.

[6]段毅，許獻磊.地質雷達超前探測在常村煤礦的應用研究[J].中國礦業，2017，26（8）：150-153.

[7]李冬，杜文鳳，許獻磊.礦井地質雷達超前探測方法及應用研究[J].煤炭科學技術，2018，46（7）：223-228.

作者:李娟 單位:大同煤礦集團永定莊煤業公司