地質(zhì)雷達超前探測在常村煤礦的應(yīng)用研究

段 毅，許獻磊(中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

地質(zhì)雷達超前探測在常村煤礦的應(yīng)用研究

段 毅，許獻磊
(中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

巷道掘進前方隱伏的災(zāi)害源極易造成礦井事故的發(fā)生，對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。對掘進巷道進行超前探測，從而掌握掘進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)雷達方法的煤巷超前地質(zhì)探測方法和原理，然后從實際工程應(yīng)用出發(fā)，對潞安集團常村煤礦皮帶順槽反掘巷進行地質(zhì)雷達超前地質(zhì)探測。應(yīng)用基于時間剖面和頻率剖面復(fù)合解釋技術(shù)對處理后的數(shù)據(jù)進行解釋，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個煤/巖性變化帶、2個破碎和裂隙水區(qū)域的位置和深度。

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

我國煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井突水等礦井隱伏災(zāi)害源導(dǎo)致我國煤礦事故頻發(fā)，威脅礦井安全。地方各級安全監(jiān)管部門提出了煤礦水害防治“預(yù)測預(yù)報，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)雷達技術(shù)因其探測精度高、實用方便，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦井災(zāi)害源的超前探測中[2-4]。

本文針對潞安集團常村煤礦存在的地質(zhì)異常問題，從實際工程應(yīng)用出發(fā)，對常村煤礦皮帶順槽反掘巷進行地質(zhì)雷達超前地質(zhì)探測研究。結(jié)果表明，礦井地質(zhì)雷達技術(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)雷達工作原理

地質(zhì)雷達通過信號發(fā)射天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，接收天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(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間(亦稱雙程走時)、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)雷達在礦井下主要解決以下問題[2，7]：①礦井地質(zhì)異常體探測(頂?shù)装寮皞?cè)幫，掘進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；③其他各類地下未知地質(zhì)情況的超前地質(zhì)預(yù)報。

2 地質(zhì)雷達探測實驗

2.1 研究區(qū)概況

常村煤礦位于山西省長治市屯留縣境內(nèi)，距潞安集團約9 km，地理坐標：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拓方式，分兩個水平開采，第一水平為+520 m水平，主要運輸大巷布置在3#煤層下約30 m巖層中，開采3#煤層的淺部條帶；第二水平為+470 m水平，開采3#煤的深部及15-3#煤。兩個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壁金屬網(wǎng)假頂全部垮落法。

圖1 地質(zhì)雷達反射探測原理圖

2.2 儀器及測線布置

此次現(xiàn)場探測試驗采用中國礦業(yè)大學(北京)開發(fā)的ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達，天線的中心頻率為100 MHz天線。根據(jù)井下的現(xiàn)場作業(yè)條件，在常村煤礦皮帶順槽反掘巷側(cè)幫及迎頭面布置測線三條，每測線均兩測回。具體布置示意圖及雷達儀器見圖2。

2.3 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集

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

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

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

地質(zhì)雷達干擾信號很多，也很復(fù)雜，需要進行多種方法處理，而且處理需要有針對性，才能有效提高信噪比[8-9]。圖像處理的一般包括以下步驟：進行零點校正、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 雷達數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 異常解釋的原則

雷達圖像的綜合解釋是探地雷達探測的最終目的，由于煤礦環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)雷達受到周圍支架環(huán)境的干擾嚴重，目前國內(nèi)、外地質(zhì)雷達信號解釋均采用時間剖面進行[10-11]。

在實際應(yīng)用中，由于地下介質(zhì)的復(fù)雜多變，探地雷達的回波信號往往具有時變、非平穩(wěn)和隨機性等特點，因此采用時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象引起的信號突變現(xiàn)象，從而提高資料解釋的準確度。電磁波在遇到破碎區(qū)域時產(chǎn)生散射現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致時間和頻率剖面發(fā)生突變。探測區(qū)域的地球物理特征是雷達檢測成果解釋的重要依據(jù)，探測區(qū)域內(nèi)各目標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，目標物的介電常數(shù)是雷達數(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)。空洞、圍巖富水、積水、圍巖擾動等缺陷與水、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結(jié)果

根據(jù)測線探測結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場地質(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)中白色虛線為雷達推測煤/巖性變化帶，白色虛線方框區(qū)域為雷達推測的破碎帶，含弱裂隙水。測線剖面解釋結(jié)果平面示意圖見圖4。

圖4 8101軌道運輸順槽探測異常分布示意圖

3.3.2 皮帶順槽反掘巷左側(cè)幫雷達剖面

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

3.3.3 皮帶順槽反掘巷左側(cè)幫雷達剖面

根據(jù)雷達波信號的同相軸變化和回波能量變化，該測線雷達探測結(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前方約21 m和29 m；破碎帶范圍分別是距離測線起點約30～45 m和85～100 m，深度均約7.5～25 m。雷達剖面圖5(b)中白色虛線為雷達探測煤/巖性變化帶，白色虛線方框區(qū)域為雷達推測的破碎帶，含弱裂隙水。

3.3.4 皮帶順槽反掘巷左側(cè)幫雷達剖面

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

圖5 S0-2皮帶順槽反掘巷雷達剖面圖

4 結(jié) 語

針對目前巷道掘進前方隱伏災(zāi)害源探測難題，本文將基于地質(zhì)雷達方法的煤巷超前地質(zhì)探測方法應(yīng)用在潞安集團常村煤礦，從實際工程應(yīng)用出發(fā)，對皮帶順槽反掘巷進行地質(zhì)雷達超前地質(zhì)探測。雷達數(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個煤/巖性變化帶、2個破碎和裂隙水區(qū)域的位置和深度。通過掘進及打孔驗證，其中的6個煤/巖性變化帶、2個破碎和裂隙水區(qū)域得到了確認，有效避免了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的事故，對生產(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 責任編輯：宋菲

“十二五”國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項項目資助(編號：2012YQ030126)；國家自然科學基金項目資助(編號：41504112)

段毅(1973-)，男，漢族，河南三門峽人，高級工程師，博士后，研究方向為資源安全管理，E-mail：dy371@126.com。

TD166

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1004-4051(2017)08-0150-04