段 毅，許獻(xiàn)磊(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)在常村煤礦的應(yīng)用研究

段 毅，許獻(xiàn)磊
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

巷道掘進(jìn)前方隱伏的災(zāi)害源極易造成礦井事故的發(fā)生，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探測(cè)，從而掌握掘進(jìn)巷道的煤層異常情況具有十分重要的意義。本文首先介紹了基于地質(zhì)雷達(dá)方法的煤巷超前地質(zhì)探測(cè)方法和原理，然后從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，對(duì)潞安集團(tuán)常村煤礦皮帶順槽反掘巷進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)探測(cè)。應(yīng)用基于時(shí)間剖面和頻率剖面復(fù)合解釋技術(shù)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，結(jié)果表明：探明了反掘巷側(cè)幫及迎頭面地質(zhì)構(gòu)造情況、確定了6個(gè)煤/巖性變化帶、2個(gè)破碎和裂隙水區(qū)域的位置和深度。

煤井災(zāi)害源；地質(zhì)雷達(dá)；超前探測(cè)；數(shù)據(jù)處理

我國(guó)煤炭開(kāi)采地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井突水等礦井隱伏災(zāi)害源導(dǎo)致我國(guó)煤礦事故頻發(fā)，威脅礦井安全。地方各級(jí)安全監(jiān)管部門(mén)提出了煤礦水害防治“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字方針。礦井防治水工作的關(guān)鍵就要求首先采用物探技術(shù)查明隱伏含水等不良地質(zhì)構(gòu)造，并提前采取治理對(duì)策[1]。隨著地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展，比如地震勘探、瞬變電磁等技術(shù)方法為煤礦安全提供了有力的技術(shù)支撐。礦井地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)因其探測(cè)精度高、實(shí)用方便，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦井災(zāi)害源的超前探測(cè)中[2-4]。

本文針對(duì)潞安集團(tuán)常村煤礦存在的地質(zhì)異常問(wèn)題，從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，對(duì)常村煤礦皮帶順槽反掘巷進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)探測(cè)研究。結(jié)果表明，礦井地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探明了反掘巷側(cè)幫及迎頭面地質(zhì)構(gòu)造情況、確定了煤/巖性變化帶、破碎和裂隙水區(qū)域的位置和深度。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)信號(hào)發(fā)射天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，接收天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波的旅行時(shí)間(亦稱雙程走時(shí))、幅度與波形資料，可推斷地下介質(zhì)的分布情況[5-7]，其工作原理如圖1所示。礦用本安型地質(zhì)雷達(dá)在礦井下主要解決以下問(wèn)題[2，7]：①礦井地質(zhì)異常體探測(cè)(頂?shù)装寮皞?cè)幫，掘進(jìn)面及回采工作面前方范圍，小斷層、采空區(qū)、陷落柱、含水區(qū)等)；②煤層厚度、煤厚異常變化帶、可能的煤層瓦斯突出帶探測(cè)；③其他各類地下未知地質(zhì)情況的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 研究區(qū)概況

常村煤礦位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣境內(nèi)，距潞安集團(tuán)約9 km，地理坐標(biāo)：東經(jīng)113°00′，北緯36°20′。常村煤礦主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組及上石炭統(tǒng)太原組，含煤10～17層，其中可采煤層為3#煤層和15#煤層。常村煤礦現(xiàn)主采3#煤層。礦井采用中央立井開(kāi)拓方式，分兩個(gè)水平開(kāi)采，第一水平為+520 m水平，主要運(yùn)輸大巷布置在3#煤層下約30 m巖層中，開(kāi)采3#煤層的淺部條帶；第二水平為+470 m水平，開(kāi)采3#煤的深部及15-3#煤。兩個(gè)水平之間采用暗斜井聯(lián)絡(luò)。采煤方法為走向(或傾向)綜采放頂煤一次采全高和分層長(zhǎng)壁金屬網(wǎng)假頂全部垮落法。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)反射探測(cè)原理圖

2.2 儀器及測(cè)線布置

此次現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)開(kāi)發(fā)的ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)，天線的中心頻率為100 MHz天線。根據(jù)井下的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，在常村煤礦皮帶順槽反掘巷側(cè)幫及迎頭面布置測(cè)線三條，每測(cè)線均兩測(cè)回。具體布置示意圖及雷達(dá)儀器見(jiàn)圖2。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

該地質(zhì)雷達(dá)儀器須一臺(tái)主機(jī)連接一臺(tái)天線，才能完成探測(cè)工作。大線一端連接主機(jī)控制口，另一端連接天線通信口。再分別打開(kāi)主機(jī)和天線的電源開(kāi)關(guān)，即可進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的埋深、形狀大小、介質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)、目標(biāo)與環(huán)境的電導(dǎo)率與介電常數(shù)等電磁特性，進(jìn)行測(cè)線走向、間距的設(shè)計(jì)，儀器參數(shù)的選擇。探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的紀(jì)錄是資料解釋的基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)紀(jì)錄的要點(diǎn)是把那些可能產(chǎn)生反射干擾的第物都記錄下來(lái)，注明它們的性質(zhì)、與測(cè)線的距離、位置關(guān)系等。根據(jù)上述測(cè)線布置圖，進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集，其中測(cè)量視窗為520 ns。測(cè)量數(shù)據(jù)采集記錄表如表1所示。

注：圖中虛線線條為地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線圖2 S0-2皮帶順槽反掘巷測(cè)線布置示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

地質(zhì)雷達(dá)干擾信號(hào)很多，也很復(fù)雜，需要進(jìn)行多種方法處理，而且處理需要有針對(duì)性，才能有效提高信噪比[8-9]。圖像處理的一般包括以下步驟：進(jìn)行零點(diǎn)校正、背景去噪、濾波和增益處理等，其處理流程如圖3所示。

表1 數(shù)據(jù)采集記錄表

圖3 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 異常解釋的原則

雷達(dá)圖像的綜合解釋是探地雷達(dá)探測(cè)的最終目的，由于煤礦環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)雷達(dá)受到周圍支架環(huán)境的干擾嚴(yán)重，目前國(guó)內(nèi)、外地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)解釋均采用時(shí)間剖面進(jìn)行[10-11]。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于地下介質(zhì)的復(fù)雜多變，探地雷達(dá)的回波信號(hào)往往具有時(shí)變、非平穩(wěn)和隨機(jī)性等特點(diǎn)，因此采用時(shí)間剖面和頻率剖面復(fù)合解釋技術(shù)，可以有效避免由于非地層對(duì)象引起的信號(hào)突變現(xiàn)象，從而提高資料解釋的準(zhǔn)確度。電磁波在遇到破碎區(qū)域時(shí)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致時(shí)間和頻率剖面發(fā)生突變。探測(cè)區(qū)域的地球物理特征是雷達(dá)檢測(cè)成果解釋的重要依據(jù)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)各目標(biāo)物的地球物理特征決定了電磁波在其中傳播的的形態(tài)，電磁波的反射、折射及透射隨不同的傳播媒介呈現(xiàn)出不同的的形態(tài)，其中，目標(biāo)物的介電常數(shù)是雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的重要依據(jù)，介電常數(shù)差異形成的電磁波反射特征正是煤層與煤矸石、圍巖層面及煤層(圍巖內(nèi)部)完整性、結(jié)構(gòu)性變化的主要依據(jù)?？斩础鷰r富水、積水、圍巖擾動(dòng)等缺陷與水、空氣的存在密切相關(guān)。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 皮帶順槽反掘巷探測(cè)結(jié)果

根據(jù)測(cè)線探測(cè)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及相關(guān)地質(zhì)資料繪制以下平面示意圖。剖面圖(圖4)中白色虛線為雷達(dá)推測(cè)煤/巖性變化帶，白色虛線方框區(qū)域?yàn)槔走_(dá)推測(cè)的破碎帶，含弱裂隙水。測(cè)線剖面解釋結(jié)果平面示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 8101軌道運(yùn)輸順槽探測(cè)異常分布示意圖

3.3.2 皮帶順槽反掘巷左側(cè)幫雷達(dá)剖面

根據(jù)雷達(dá)波信號(hào)的同相軸變化和回波能量變化，該測(cè)線雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示有三處煤/巖性變化帶。深度分別位于探測(cè)前方約10～18 m、22～29 m和38～41 m。雷達(dá)剖面圖5(a)中白色虛線為雷達(dá)探測(cè)煤/巖性變化帶。

3.3.3 皮帶順槽反掘巷左側(cè)幫雷達(dá)剖面

根據(jù)雷達(dá)波信號(hào)的同相軸變化和回波能量變化，該測(cè)線雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示有二處煤/巖性變化帶和二處破碎帶。煤/巖性變化帶深度分別位于探測(cè)前方約21 m和29 m；破碎帶范圍分別是距離測(cè)線起點(diǎn)約30～45 m和85～100 m，深度均約7.5～25 m。雷達(dá)剖面圖5(b)中白色虛線為雷達(dá)探測(cè)煤/巖性變化帶，白色虛線方框區(qū)域?yàn)槔走_(dá)推測(cè)的破碎帶，含弱裂隙水。

3.3.4 皮帶順槽反掘巷左側(cè)幫雷達(dá)剖面

根據(jù)雷達(dá)波信號(hào)的同相軸變化和回波能量變化，該測(cè)線雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示有三處煤/巖性變化帶。深度分別位于探測(cè)前方約22 m、33 m和38 m。雷達(dá)剖面圖5(c)中白色虛線為雷達(dá)探測(cè)煤/巖性變化帶。

圖5 S0-2皮帶順槽反掘巷雷達(dá)剖面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前巷道掘進(jìn)前方隱伏災(zāi)害源探測(cè)難題，本文將基于地質(zhì)雷達(dá)方法的煤巷超前地質(zhì)探測(cè)方法應(yīng)用在潞安集團(tuán)常村煤礦，從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，對(duì)皮帶順槽反掘巷進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)探測(cè)。雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋結(jié)果表明：探明反掘巷側(cè)幫及迎頭面地質(zhì)構(gòu)造情況、確定8個(gè)煤/巖性變化帶、2個(gè)破碎和裂隙水區(qū)域的位置和深度。通過(guò)掘進(jìn)及打孔驗(yàn)證，其中的6個(gè)煤/巖性變化帶、2個(gè)破碎和裂隙水區(qū)域得到了確認(rèn)，有效避免了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的事故，對(duì)生產(chǎn)具有明顯的指導(dǎo)意義。

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Advanced detection application by using geological radar in changcun coal mine

DUAN Yi，XU Xianlei
(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Disaster source in front of the tunnel face can easily cause the coal mine accidents，resulting in a great threat for the safe production in coal mine.It is of important significance for the advance detection to obtain the information of the disaster source and seam anomalies.This paper introduces the advance detection method and principle based on the geological radar，then a detection application case is conducted in the belt trough reverse-driving-lane of the Changcun coal mine，Lu’an Group.The processed data are interpreted by using the complex technology of the time profile and frequency profile，and the results show that：the geological structure of the side and head face in the reverse-driving-lane is acquired，and the location and depth information of the 6 coal-lithology belt change zones and 2 fracture water areas are determined.

mine disasters source；geological radar；advanced detection；data processing

2017-03-06 責(zé)任編輯：宋菲

“十二五”國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2012YQ030126)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：41504112)

段毅(1973-)，男，漢族，河南三門(mén)峽人，高級(jí)工程師，博士后，研究方向?yàn)橘Y源安全管理，E-mail：dy371@126.com。

TD166

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1004-4051(2017)08-0150-04