地質(zhì)雷達在烏東煤礦急斜煤層地質(zhì)異常區(qū)的應用

盧 儉 王洪民

1.中國礦業(yè)大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.神華新疆能源有限責任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830027）

隨著國家煤炭資源整合政策的實施，神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦上部的原曙光村煤礦被迫關(guān)閉，原有礦井技術(shù)人員整合入烏東煤礦。原曙光村煤礦生產(chǎn)混亂，其老舊采空區(qū)位置與原開采的空間范圍尚不確定。當前神新能源公司烏東煤礦+600m水平南、北掘進巷位于原曙光村煤礦老舊采空區(qū)范圍正下方，采場圍巖極易貫通工作面上方的原有老舊采空區(qū)，形成供氧通道，那么，原有老舊采空區(qū)內(nèi)遺留煤體就會發(fā)生自燃，且采空區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體與老窯積水也會通過豐富的裂隙網(wǎng)進入現(xiàn)有采場空間，這將給烏東煤礦生產(chǎn)安全造成重大隱患。因而為了探明烏東煤礦+600m 水平現(xiàn)有開采水平上方老舊采空區(qū)的位置情況，需采用先進的探測設(shè)備進行探測，以確保礦井安全高效生產(chǎn)。

1 現(xiàn)場探測方案設(shè)計

1.1 探測設(shè)備的選取

現(xiàn)場一般通過鉆探的手段對位置區(qū)域進行探測，但探測手段單一，實施過程費時費力且只能對特定區(qū)域、地點進行探測，而對兩個特定測點之間的未知區(qū)域是否存在安全隱患卻無能為力。探地雷達技術(shù)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1 MHz-1GHz）電磁技術(shù)，高頻短脈沖電磁波為地質(zhì)雷達所發(fā)射的主要類型電磁波，由一體化主機、發(fā)射部分、接收部分及配套軟件等組成，以電磁波的傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，以分析電磁場分布及電磁波在老舊采空區(qū)中傳播規(guī)律為理論。當電磁波在巖體介質(zhì)傳播中遇到異性物質(zhì) （如老舊采空區(qū)）時，雷達探測圖像會因探測巖體的電性差異而產(chǎn)生反射波，被監(jiān)測設(shè)備接收。通過分析探地雷達上探測圖像的同相軸畸變特征用于推斷探地雷達探測目標對象的波形旅行時間等數(shù)據(jù)，計算探測物理目標體所在的位置。

當老舊采空區(qū)中巖體介質(zhì)中的電荷充電具有有限響應時間時，其對外部慢速的變化體現(xiàn)出似穩(wěn)特征，而對外部快速的場變化體現(xiàn)出自由運動特征。依據(jù)能量損耗和能量存儲的相對強度大小，波場呈現(xiàn)出凋落和波動特性。因而地質(zhì)雷達的采用能很好地完成對原曙光村煤礦老舊采空區(qū)的實時連續(xù)性探測工作。故選用SIR-20高速地質(zhì)雷達光譜地磁探測技術(shù)對采空區(qū)進行探測。

1.2 探測設(shè)備位置的確定

為了使探測結(jié)果準確可靠，更貼近現(xiàn)場的真實情況，根據(jù)烏東礦提供的地質(zhì)資料，優(yōu)化確定了基于地質(zhì)雷達的老舊采空區(qū)探測實施區(qū)域。烏東煤礦+600m 水平東冀45＃煤層工作面位于副斜井筒東側(cè)，煤層傾角45°。曙光村煤礦已對該急傾斜煤層淺部資源進行了回采，其開采邊界位于烏東煤礦東翼走向2650～2850m 之間，因此，確定對原曙光村煤礦老舊采空區(qū)正下方+600m 水平45＃煤層東翼南巷2650～2850m 范圍進行2次探測，探測深度為35m。選取探測天線的角度分別為30°和45°，具體探測方案的布置如圖1所示。

2 探測結(jié)果分析

2.1 30°雷達測角結(jié)果

探測天線角度為30°時，南巷地質(zhì)雷達探測結(jié)果見圖2。圖2 （a）雷達線掃描圖為南巷走向2750～2800m 范圍，矩形圈定的位置為垂直測程40～260ns，主要呈現(xiàn)出明顯的層狀分布特點，電磁波同相軸連續(xù)，未出現(xiàn)明顯的起伏；橢圓圈定的位置為垂直測程280～380ns（巷道上方2.5～4.0 m 范圍），電磁波同相軸相位出現(xiàn)異常，出現(xiàn)明顯的起伏甚至不連續(xù)，確定該區(qū)域為探測異常區(qū)域。結(jié)合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，判定在走向2750～2800m 范圍內(nèi)距巷道上方2.5～4.0m 范圍內(nèi)煤巖體內(nèi)部破碎嚴重，存在老舊采空區(qū)。

圖1 SIR-20高速地質(zhì)雷達探測設(shè)計圖

圖2 測角為30°的探測結(jié)果

圖2 （b）雷達線掃描圖為南巷2800～2850m范圍的探測結(jié)果。矩形圈定的位置為垂直測程30～240ns，圖像出現(xiàn)波浪形突變，未見清晰的條帶分層，且圖像主色調(diào)發(fā)生變化；電磁波同相軸出現(xiàn)起伏，整體交替分布顯著，表明該區(qū)域未出現(xiàn)較為明顯的地質(zhì)異常區(qū)域。橢圓圈定的位置為垂直測程260～360ns（巷道上方2.5～3.5 m 范圍），電磁波同相軸呈現(xiàn)零亂狀、突變明顯，并存在波形呈疊加狀的趨勢，判定該區(qū)域為探測異常區(qū)域。通過預先留設(shè)的導水孔，探明該區(qū)域出現(xiàn)異常是由于煤體內(nèi)所富存的水體。疏導水過程中最大排水量達10.2m3／h。

2.2 45°雷達測角結(jié)果

探測天線角度為45°時，南巷地質(zhì)雷達探測結(jié)果見圖3。圖3 （a）雷達線掃描圖為南巷走向2785～2765m 范圍，矩形圈定的位置為垂直測程60～250ns，測程內(nèi)圖像呈現(xiàn)較為清晰的條帶狀交替分層特點，未見地質(zhì)異常區(qū)域；橢圓圈定的位置為垂直測程300～400ns（巷道上方2.1～2.8m 范圍），測程內(nèi)圖像由層狀向散狀分布過渡，電磁波同相軸相位出現(xiàn)異常，出現(xiàn)明顯的起伏甚至不連續(xù)并出現(xiàn)部分波形疊加，確定該區(qū)域為探測異常區(qū)域。結(jié)合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，分析認為巷道上方2.1～2.8m、南巷走向2785～2765m 范圍煤巖體破碎嚴重，為老舊采空區(qū)。

圖3 （b）雷達線掃描圖為南巷2750～2700m范圍的探測結(jié)果。矩形圈定的位置為垂直測程40～180ns，測程范圍內(nèi)探測圖像為同層狀分布特征顯著，電磁波同相軸偏轉(zhuǎn)量增大，但未見顯著的突變現(xiàn)象，由此表明此區(qū)域未出現(xiàn)異常，巖層完整，但巖層相對介電常數(shù)增大，導致同相軸偏轉(zhuǎn)量發(fā)生變化；橢圓圈定的位置為垂直測程240～300ns（巷道上方1.4～2.0 m 范圍），測程內(nèi)圖像突變，反射波信號比較密集，頻率較高，波形能量激增，由層狀向散狀分布過渡，表明該區(qū)域存在相對介電常數(shù)突增的介質(zhì)材料，且電磁波同相軸相位出現(xiàn)異常，出現(xiàn)明顯的起伏甚至不連續(xù)，并出現(xiàn)部分波形疊加，確定該區(qū)域為探測異常區(qū)域且所含介質(zhì)材料相對介電常數(shù)顯著大于周邊巖層。通過預先留設(shè)的導水孔，探明該區(qū)域出現(xiàn)異常是由于煤體內(nèi)所富存的水體，且?guī)r體破裂顯著，裂隙發(fā)育較明顯。

圖3 （c）雷達線掃描圖為南巷2680～2650m 范圍的探測結(jié)果。矩形圈定的位置為垂直測程60～200ns，測程段圖像呈現(xiàn)較明顯的高能波浪形分層，電磁波同相軸偏轉(zhuǎn)量增大，但未見顯著的突變現(xiàn)象，由此表明此區(qū)域未出現(xiàn)異常，巖層完整，但巖層相對介電常數(shù)增大，導致同相軸偏轉(zhuǎn)量發(fā)生變化；橢圓圈定的位置為垂直測程240～280ns（巷道上方1.4～1.7 m 范圍），圖像有一條低能率層狀條帶，測程段內(nèi)電磁波同相軸偏轉(zhuǎn)且波形異常交錯分布，波形零亂，界面不連續(xù)，存在地質(zhì)異常區(qū)域。結(jié)合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，分析認為在走向2680～2650m 范圍內(nèi)距巷道上方1.4～1.7m 內(nèi)為老舊采空區(qū)，煤巖體破碎嚴重，裂隙發(fā)育明顯。

圖3 測角為45°的探測結(jié)果

3 結(jié)論

（1）南巷30°測角探測結(jié)果表明：在走向2750～2780m 范圍內(nèi)距巷道上方2.5～4.0m 范圍內(nèi)煤體破碎嚴重，存在老舊采空區(qū)；在走向2800～2850m 距巷道上方約2.5～3.5m 范圍內(nèi)的煤層含水量較為豐富。

（2）南巷45°測角探測結(jié)果表明：走向2785～2765m 范圍距巷道上方約2.1～2.8m 處煤巖體破碎嚴重，為老舊采空區(qū)；在走向2750～2700m 距巷道上方1.4～2.0m 范圍內(nèi)出現(xiàn)異常是由于煤體內(nèi)所富存的水體，且?guī)r體破裂顯著，裂隙發(fā)育較明顯；在走向2680～2650m 距巷道上方1.4～1.7m范圍內(nèi)為老舊采空區(qū)，煤巖體 破碎嚴重，裂隙發(fā)育明顯。

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