探地雷達(dá)在煤巷超前探測(cè)中的應(yīng)用

王瑩 王勇強(qiáng) 邱德生 朱振龍 謝楓

淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處，安徽 淮南 232001

探地雷達(dá)在煤巷超前探測(cè)中的應(yīng)用

王瑩 王勇強(qiáng) 邱德生 朱振龍 謝楓

淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處，安徽 淮南 232001

在煤礦井下煤層巷道掘進(jìn)中，對(duì)掘進(jìn)前方進(jìn)行超前探測(cè)，從而預(yù)知掘進(jìn)前方的煤層異常情況，對(duì)于保障安全生產(chǎn)、預(yù)防突發(fā)性事故的發(fā)生有著重要的意義。探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的物探方法，將其應(yīng)用于煤炭超前探測(cè)預(yù)報(bào)可以彌補(bǔ)超前鉆探的不足，有利于提高煤巷超前探測(cè)的效率和可靠性。

探地雷達(dá)； 煤系地層；超前探；保障安全

由于受到瓦斯、水、礦壓、頂板等煤礦災(zāi)害因素的影響，我國煤礦井下煤層巷道掘進(jìn)作業(yè)面臨極大的危害性。在施工前對(duì)掘進(jìn)前方進(jìn)行超前探測(cè)，從預(yù)知掘進(jìn)前方的煤層異常情況，對(duì)于提前采取安全措施，保障安全生產(chǎn)，預(yù)防突發(fā)性事故的發(fā)生有著十分重要的意義。目前的超前探測(cè)手段主要采用鉆孔探測(cè)，存在施工工期長，成本高，施工中仍然存在安全隱患等不足之處。探地雷達(dá)技術(shù)具有無損探測(cè)、不破壞煤體、無需輔助工程、探測(cè)時(shí)間短（＜1h）、操作安全的特點(diǎn)，可較好彌補(bǔ)鉆孔探測(cè)的不足，有利于提高超前探測(cè)的效率和可靠性。

1.探地雷達(dá)煤巷超前探測(cè)原理

1.1 探地雷達(dá)基本原理

雷達(dá)源于Radar(Radio Deltection and Ranging)的音譯，原意是“無線電探測(cè)與測(cè)距”，即應(yīng)用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置。雷達(dá)技術(shù)最早由軍方研制使用，軍事上用它來發(fā)現(xiàn)并測(cè)定目標(biāo)的位置和速度。隨著技術(shù)和社會(huì)需求的發(fā)展，雷達(dá)逐漸轉(zhuǎn)為民用。探地雷達(dá)是其中一個(gè)分支，在地質(zhì)勘探領(lǐng)域內(nèi)用于對(duì)地探測(cè)，查找目標(biāo)地層以及地下異常體等目標(biāo)體。近年來隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的高速發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步，廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)調(diào)查、工程質(zhì)量檢測(cè)、礦產(chǎn)資源勘查、水文與生態(tài)環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)、考古和地下掩埋物的探測(cè)等眾多領(lǐng)域，成為淺層地球物理勘探中一種重要的技術(shù)。

與對(duì)空雷達(dá)探測(cè)原理相似，探地雷達(dá)技術(shù)是一種定向高頻電磁波反射定位技術(shù)，它分辨定位異常目標(biāo)體的基本物理原理是：發(fā)射定向高頻電磁波，依靠目標(biāo)體和周圍介質(zhì)之間的電性參數(shù)差異，使高頻電磁波發(fā)生反射回波，通過對(duì)儀器接受的反射回波分析來區(qū)分不同的介質(zhì)和目標(biāo)體，見圖1。其中，介質(zhì)導(dǎo)電率和介電常數(shù)是2個(gè)關(guān)鍵的電性參數(shù)：介質(zhì)導(dǎo)電率影響電磁波的探測(cè)深度，導(dǎo)電率越小電磁波探測(cè)深度越大；介電常數(shù)影響電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，介電常數(shù)越小電磁波速度越快。在探地雷達(dá)探測(cè)中，電磁波反射系數(shù)主要取決于目標(biāo)體和相鄰介質(zhì)的介電常數(shù)差異，差異越大反射系數(shù)也越大，儀器接收到的目標(biāo)信號(hào)也越強(qiáng)。

圖1 煤巷掘進(jìn)頭探地雷達(dá)超前探測(cè)平面示意圖

1.2 防爆探地雷達(dá)波在不同介質(zhì)交界面上的反射特性和距離定位

與其它波一樣，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，遇到不同的速度界面時(shí)將產(chǎn)生反射波和透射波，入射波、反射波和透射波的傳播，都將遵守反射和折射定律。

雷達(dá)反射回波的強(qiáng)弱是我們分辨目標(biāo)體界面的基礎(chǔ)。而目標(biāo)體與圍巖之間的電性差異是否導(dǎo)致有足夠的反射或散射能量為探地雷達(dá)系統(tǒng)所識(shí)別是探地雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)體可行性的關(guān)鍵。

電磁波在介質(zhì)分界面上，反射波能量的大小取決于反射系數(shù)r。由于探地雷達(dá)的天線間距相對(duì)探測(cè)距離較小，可以認(rèn)為，如表1所示。根據(jù)菲涅爾公式，反射系數(shù)可簡(jiǎn)化為下式：

ε1′－介質(zhì)1的相對(duì)介電常數(shù)，ε2′－介質(zhì)2的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于常見的介質(zhì)有1≤ε′≤81。

表1

反射系數(shù)值介于＋1和－1之間，其大小取決于反射界面相鄰兩層的相對(duì)介電常數(shù)。當(dāng)相鄰兩層的相對(duì)介電常數(shù)相等時(shí)，反射系數(shù)r為0，電磁波不會(huì)反射。只有相鄰兩層的相對(duì)介電常數(shù)差異越大，則反射系數(shù)r越大，雷達(dá)接收信號(hào)越強(qiáng)。

實(shí)際應(yīng)用中探地雷達(dá)所探測(cè)的地下物體經(jīng)常具有不規(guī)則形狀，而且目標(biāo)體大小不一。用探地雷達(dá)探測(cè)地下目標(biāo)，不光考慮地下目標(biāo)與圍巖的速度與電性參數(shù)差別，而且還應(yīng)考慮目標(biāo)的大小和形狀，從而全面考慮探測(cè)情況。

防爆探地雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)體的距離定位可通過下列公式來計(jì)算：

H－目標(biāo)體離探測(cè)點(diǎn)的距離，v－雷達(dá)波在介質(zhì)中的速度，t－雷達(dá)波在介質(zhì)中的雙程走時(shí)。

1.3 探地雷達(dá)煤巷超前探測(cè)的可行性

探地雷達(dá)探測(cè)從某種意義上講屬于一種界面探測(cè)技術(shù)，煤礦巷道前方的異常構(gòu)造實(shí)際模型可以簡(jiǎn)化為對(duì)不同異常體界面的探測(cè)。我國煤礦的可采煤層厚度最小為1米，最大可達(dá)上百米，一般到多為2～10米。工作面掘進(jìn)巷道大多寬2～5米，高2～4米。煤礦中常見的煤田地質(zhì)異常體物理尺寸大多為十幾米，幾十米甚至更大，同時(shí)也存在很多小的瓦斯地質(zhì)構(gòu)造體，這些異常界面簡(jiǎn)單來講主要是煤和非煤異常體之間的界面（非煤異常體主要是巖石，也包括水和空氣等）。因此，就煤礦井下情況而言，我們探測(cè)的大多是煤和非煤界面，電磁波的傳播反射方式可以簡(jiǎn)化成平面反射。同時(shí)探測(cè)深度要求盡量遠(yuǎn)（深度要達(dá)到幾十米），屬于深部探測(cè)，要求防爆雷達(dá)儀器天線中心頻率低，探測(cè)距離遠(yuǎn)。

煤層的相對(duì)介電常數(shù)為2.3～3.6。而巖層相對(duì)介電常數(shù)一般為4～9，空氣中的相對(duì)介電常數(shù)是1，水中的介電常數(shù)是81。煤和非煤異常體之間存在的介電常數(shù)差異為探地雷達(dá)探測(cè)煤層異常體提供了可靠的地球物理依據(jù)。在超前探測(cè)中我們接觸的首先是煤層，然后再在煤中探測(cè)和識(shí)別異常體，在不同介質(zhì)分界面上將產(chǎn)生回波信號(hào)，這是我們識(shí)別異常體的基本波形依據(jù)。理想情況下，出現(xiàn)異常體的雷達(dá)回波走時(shí)圖如圖2所示。

圖2 理想情況下雷達(dá)超前探測(cè)異常體單波示意圖

圖4 礦方提供66111順槽平面示意圖

圖中，縱坐標(biāo)表示雷達(dá)回波振幅大?。▎挝籱v），橫坐標(biāo)表示雙向走時(shí)（單位ns）。在雙向走時(shí)圖像上，首先有一個(gè)首波-直達(dá)波，其幅度最大，然后出現(xiàn)指數(shù)衰減。在異常體與煤層的分界面上產(chǎn)生一個(gè)幅度較大的異常體回波，反映出異常體的位置和距離。

在煤礦巷道掘進(jìn)頭實(shí)際超前探測(cè)中，情況要復(fù)雜得多，由于受巷道斷面空間尺寸的限制，探地雷達(dá)的探測(cè)解釋基本以單點(diǎn)單波為主。由于缺乏足夠多的同等條件下的相對(duì)數(shù)據(jù)，建立超前探測(cè)的圖譜具有相當(dāng)?shù)碾y度。當(dāng)然，煤礦井下電磁干擾小，煤層異常體模型簡(jiǎn)單也為超前探測(cè)工作提供了有利的條件。

2.探測(cè)實(shí)例

2.1 探測(cè)時(shí)間地點(diǎn)

探測(cè)時(shí)間：2010年8月16日上午9時(shí)。探測(cè)地點(diǎn)：新莊孜煤礦66111順槽q21測(cè)點(diǎn)前30.2米。

2.2 掘進(jìn)工作面概況

掘進(jìn)頭巷道寬約4.8米，高約1.8～3. 5米，煤層厚約為4.2米左右。測(cè)線位于掘進(jìn)頭巷道中部，在煤層中探測(cè)，探測(cè)迎頭平整度一般，對(duì)探測(cè)成果造成一定的影響。探測(cè)頻率100MHz，探測(cè)方向從左往右（由巷道下幫向上幫）。整個(gè)探測(cè)工作時(shí)間約10分鐘，其它情況略。

2.3 初步預(yù)報(bào)結(jié)果

探測(cè)結(jié)果（頻率100MHz）：探測(cè)前方30米范圍內(nèi)，雷達(dá)波衰減基本均勻，但在探測(cè)前方14～17米附近位置出現(xiàn)小幅震蕩回波，預(yù)計(jì)為礦方預(yù)計(jì)斷裂構(gòu)造，或是煤層破碎或煤層產(chǎn)狀變化引起的小異常，也有可能是掘進(jìn)面迎頭不平產(chǎn)生的干擾，如圖3所示。

圖3 66111 工作面q21點(diǎn)前30.2米超前探測(cè)初步成果圖（100MHz）

2.4 探測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)揭露資料對(duì)比

巷道揭露以后，將初步超前探測(cè)結(jié)果（圖3）和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料進(jìn)行了對(duì)比，形成的探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證見圖4。從圖3可以明顯看出：在煤巷正常地段雷達(dá)反射回波很弱，甚至沒有；而煤巷出現(xiàn)異常的位置附近都有大小不等的雷達(dá)反射回波。說明高頻電磁波對(duì)煤巷異常具有明顯的識(shí)別能力，采用探地雷達(dá)進(jìn)行煤巷超前探測(cè)預(yù)報(bào)是行之有效的；從礦方提供的驗(yàn)證圖紙（圖4）中可以看出：本次試驗(yàn)巷道施工前方16.5m處發(fā)現(xiàn)一條H=1.0m斷裂構(gòu)造。

3.結(jié)論

3.1 應(yīng)用探地雷達(dá)超前探測(cè)煤巷前方異常時(shí)，工作方法快捷方便，經(jīng)濟(jì)可行。

3.2 本次探測(cè)試驗(yàn)為礦方安全生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的依據(jù)，并隨著煤礦井下探測(cè)實(shí)踐不斷深入和探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)完善，探地雷達(dá)技術(shù)作為一種先進(jìn)、方便的礦井物探手段在煤礦的推廣應(yīng)用中有著廣泛的前景。

3.3 探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果要與鉆孔地質(zhì)資料，局部區(qū)域資料結(jié)合起來綜合分析，相互對(duì)比驗(yàn)證，提高解釋的精度和可靠性，并降低物探資料的多解性。

[1]丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995

[2]張平松，劉盛東等.地球物理勘探教程[M].安徽：安徽理工大學(xué)出版社, 2007

[3]宋勁，蔣成站，吳燕清等.煤層電性參數(shù)測(cè)試技術(shù)完善的研究[R].重慶：煤炭科學(xué)研究總院重慶分院,1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.036

王瑩（1981-）男，安徽壽縣人，助理工程師。在淮南礦業(yè)集團(tuán)先后從事地質(zhì)測(cè)量及礦井物探工作。