基于GPR技術(shù)的巷道迎頭超前探測

趙智嶸

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院 北京 100083)

引言

中國北方地區(qū)煤礦開采地質(zhì)條件大多較為復(fù)雜，在巷道掘進(jìn)中時常會遇到斷層、陷落柱等地質(zhì)災(zāi)害體[1]。這些災(zāi)害體發(fā)育規(guī)模較小,但仍有可能成為導(dǎo)水通道或破壞頂?shù)装宸€(wěn)定性，影響礦井生產(chǎn)安全。因此有必要查明迎頭前方災(zāi)害體的種類及空間分布情況，從而能夠提前采取技術(shù)措施，有效預(yù)防事故發(fā)生。

目前，用于巷道迎頭超前探測的常規(guī)礦井物探方法，如槽波地震勘探法、瞬變電磁法、無線電波透法及直流電法等，雖能對迎頭前方災(zāi)害體進(jìn)行有效判定，但上述方法受井下條件限制較多，且對小構(gòu)造的探測精度不易達(dá)到實際生產(chǎn)要求[2-4]。而探地雷達(dá)方法以其高效率、高精度、高便攜性的探測特點，近年來被廣泛應(yīng)用于井下構(gòu)造探測[5]。

本次實驗所用50MHz低頻探地雷達(dá)天線及配套裝備為中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采重點實驗室自主研發(fā)，該設(shè)備在保障探測深度的基礎(chǔ)上，也提升了探測精度。

一、GPR技術(shù)

(一)GPR基本原理。探地雷達(dá)方法通過雷達(dá)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波(主頻為數(shù)十MHz至數(shù)千MHz)，并接收在地下不同介質(zhì)交界面處形成的反射回波，從而達(dá)到對迎頭介質(zhì)勘探的目的。被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr差異越大，根據(jù)反射系數(shù)原理，在界面處反射的電磁波能量越大。因此，當(dāng)雷達(dá)信號遇到煤層與其內(nèi)部構(gòu)造災(zāi)害體的交界面時，雷達(dá)信號會發(fā)生強(qiáng)反射響應(yīng)。通過將雷達(dá)天線輻射面緊貼巷道迎頭煤壁開展連續(xù)數(shù)據(jù)采集，對反射回波的特征信息進(jìn)行精確記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則可以構(gòu)建煤層與構(gòu)造災(zāi)害體的剖面掃描圖像，其探測示意圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)超前探測示意圖

(二)儀器選擇。本次探測使用了中國礦業(yè)大學(xué)(北京)自主研發(fā)的ZTR-12礦用本質(zhì)安全型探地雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一體化主機(jī)、高頻信號連接線、50MHz主頻天線和輔助設(shè)備等幾部分共同組成。

ZTR-12型探地雷達(dá)主機(jī)采用顯示系統(tǒng)與控制單元的一體化的密封防水設(shè)計，天線采用屏蔽式密封設(shè)計，全系統(tǒng)均達(dá)到本質(zhì)安全型認(rèn)證，可在井下方便、安全的開展探測工作。

二、探測實例

(一)測區(qū)基本概況及觀測系統(tǒng)布設(shè)。本次探測區(qū)為曙光煤礦，該礦地處山西省介休市，位于新峪煤業(yè)宜興礦區(qū)東南部，宜興煤業(yè)宜興礦區(qū)東北部。當(dāng)前該礦主采煤層為位于二疊系下統(tǒng)山西組中部的2#煤層，厚度0-3.25m，平均1.3m，其煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，小斷層分布較為密集。工作面內(nèi)煤的類型為無煙煤，根據(jù)以往探測經(jīng)驗并參考《礦井地球物理手冊》，綜合確定本次探測中煤層相對介電常數(shù)εr設(shè)定為3.6。

由于受到巷道高度限制，雷達(dá)測線布置在掘進(jìn)迎頭距底板上方1.5m處，且在探測過程中應(yīng)確保天線緊貼巷道掘進(jìn)迎頭，并盡量確保發(fā)射及接收天線保持水平勻速運動，以確保井下雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量及解釋效果。

(二)GPR數(shù)據(jù)處理流程。井下雷達(dá)數(shù)據(jù)采集過程中，易受到巷道周邊電纜、錨桿等鐵磁性物質(zhì)的干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。因此，為突出有效信號，提高對迎頭前方災(zāi)害體的解釋精度，需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)信號處理。經(jīng)多次井下試驗探測并對比分析，最終采用如圖2所示雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

(三)實測結(jié)果分析。斷層破碎帶探測結(jié)果：在一次對某材料巷掘進(jìn)迎頭超前探測中，50MHz雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3所示，可看出迎頭前方50-60m處存在一處條帶狀強(qiáng)反射區(qū)域，黑線處反射波同相軸錯段，而0-50m處反射層面連續(xù)。經(jīng)綜合分析，最終推測在掘進(jìn)迎頭前方50米處出現(xiàn)斷層破碎帶，斷層與巷道的夾角約為20°。

圖3 雷達(dá)剖面解釋成果及地質(zhì)素面圖

在后續(xù)巷道推進(jìn)過程中，對揭露情況進(jìn)行地質(zhì)素描，并將其與雷達(dá)解釋成果對比后發(fā)現(xiàn)：自探測點前51-59米處揭露斷層破碎帶，破碎帶與巷道成20°夾角。由此可驗證，本次探地雷達(dá)超前探測基本達(dá)到了對斷層破碎帶位置及發(fā)育形態(tài)的有效探測。

三、結(jié)論

(1)工程實踐表明，50MHz防爆雷達(dá)天線能夠達(dá)到對掘進(jìn)面前方60m范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行有效識別。

(2)探地雷達(dá)高精度、高便攜以及探測方便快捷的優(yōu)點，在礦井迎頭超前探測方面，具有廣闊的發(fā)展前景。但由于煤層內(nèi)部介質(zhì)復(fù)雜多變，巷道周邊鐵磁性干擾嚴(yán)重。在反演解釋過程中還應(yīng)充分結(jié)合實際情況進(jìn)行綜合分析。