礦用鉆孔地質(zhì)雷達在打通一煤礦井下的試用驗證

王選琳 劉 柯 郭召昌

（1. 重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400061；2. 重慶能投渝新能源有限公司打通一煤礦，重慶 401445）

目前，鉆孔地質(zhì)雷達探測技術(shù)在探測金屬礦脈及其位置[1]、大型地下空洞和裂縫等方面應用較多，探測效果較好[2-4]。但該技術(shù)在煤礦井下的應用還未見大量的系統(tǒng)報道[5]。本文將鉆孔地質(zhì)雷達引入到煤礦井下，在打通一礦211 瓦斯巷巷旁采用不同頻率的雷達天線進行了現(xiàn)場探測試驗，驗證其探測結(jié)果的可靠性與準確性，以期用于掘進磧頭前方全方位超前探測，減少地質(zhì)探孔工程量。

1 鉆孔雷達探測原理

鉆孔雷達的構(gòu)成主要包括主機、發(fā)射/接收天線、傳輸電纜及配套軟件等，可向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射幾兆赫至幾吉赫的高頻電磁波，遇不均勻體（界面）時會反射部分電磁波，反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，最后通過對雷達主機所接收的反射信號進行處理和圖像解譯，達到識別隱蔽目標物的目的。

將發(fā)射/接收天線放于探測鉆孔中向深部緩慢推進，向鉆孔周圍360°空間發(fā)射和接收雷達信號，自動掃描成像，可探測鉆孔徑向30 m 范圍內(nèi)的圍巖信號。通過一個鉆孔探測可以計算分析有害地質(zhì)體的距離和規(guī)模大小。具體探測原理如圖1 所示。

圖1 鉆孔雷達探測原理

2 礦用鉆孔地質(zhì)雷達設備

試驗研究采用的是武漢長盛煤安科技有限公司生產(chǎn)的ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達，在打通一煤礦井下進行現(xiàn)場探測試驗，其實物如圖2 所示。

圖2 鉆孔雷達儀圖

ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔地質(zhì)雷達技術(shù)參數(shù)及對比表

根據(jù)表1 可看出，ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達的技術(shù)特點為：頻帶寬，可達75～200 MHz；數(shù)字化天線，抗干擾能力強；抗拉光纖數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠；一鍵式操作，操作簡單方便；發(fā)射功率大，接收靈敏度高，可探測較遠距離；天線密封性好，耐壓值達2 MPa，適用于干、濕孔探測；軟件功能強大，適用國際通用數(shù)據(jù)格式。但該雷達的信號易受井下探測地點周圍大量水、金屬物等的影響，所以在探測時盡量要避免這些因素影響。

3 打通一煤礦211 瓦斯巷鉆孔雷達探測

為驗證礦用地質(zhì)雷達對煤礦井下構(gòu)造探測結(jié)果的可靠性與準確性，在打通一煤礦211 瓦斯巷巷旁鉆孔后分別用100 MHz 和200 MHz 的鉆孔地質(zhì)雷達天線進行了探測。

3.1 100 MHz 鉆孔雷達天線探測

在打通一礦211 瓦斯巷旁沿巷道走向施工了三個鉆孔，鉆孔參數(shù)見表2，平面圖如圖3 所示。

表2 211 瓦斯巷旁鉆孔設計參數(shù)表

圖3 211 瓦斯巷旁探測鉆孔竣工圖

鉆孔施工完畢后使用天線頻率為100 MHz 的ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達對211 瓦斯巷巷道進行了探測，探測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 211 瓦斯巷旁100 MHz 天線探測結(jié)果

由圖4（a）可看出，1#探測鉆孔深度20.3 m，探測結(jié)果中未顯示出明顯巷道。圖中方框區(qū)域信號異常明顯，判斷為空洞（實際為躲避硐室）。

由圖4（b）可看出，2#探測鉆孔深度20 m，方框區(qū)域信號出現(xiàn)明顯變化，判斷為巷道，孔口離巷道約為2.5 m，孔底端離巷道約1 m。20 m 處至21 m 處數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常，判斷為空洞（實際為躲避硐室）。

由圖4（c）可看出，3#探測鉆孔深度26.4 m，圖中紅線為巷道，孔口處離巷道約5.3 m。方框處為空洞（實際為躲避硐室）。

3.2 200 MHz 鉆孔雷達天線探測

2019 年12 月4 日，采用天線頻率為200 MHz的ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達對211 瓦斯巷巷旁進行了二次探測，探測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 211 瓦斯巷旁200 MHz 天線探測結(jié)果

由圖5 可知，200 MHz 天線的探測結(jié)果圖中可明顯看見信號異常區(qū)域，且異常區(qū)域信號變化精度更大。將圖5 與圖4 進行對比分析可知，200 MHz天線和100 MHz 天線的探測結(jié)果一致，但天線頻率為200 MHz 的鉆孔雷達探測精度更高（200 MHz 天線的探測精度可達0.15 m，100 MHz 天線的探測精度達0.3 m），探測結(jié)果圖形的視覺效果更清晰。同時，根據(jù)實測時探測軟件上的數(shù)據(jù)可知，天線頻率為200 MHz 的鉆孔雷達在鉆孔徑向的探測范圍要小于天線頻率為100 MHz 的鉆孔雷達，其徑向探測范圍大致為10 m 左右，而天線頻率為100 MHz 的鉆孔雷達在鉆孔徑向的探測范圍可達15 m 以上。

4 結(jié)論

（1）天線頻率為100 MHz 和200 MHz 的礦用鉆孔地質(zhì)雷達均能夠準確地探測出211 瓦斯巷和巷旁的躲避硐室。

（2）天線頻率為100 MHz 和200 MHz 的礦用鉆孔地質(zhì)雷達的探測結(jié)果一致，200 MHz 天線的探測精度更高，但其鉆孔徑向探測半徑低于100 MHz天線。鉆孔地質(zhì)雷達用于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測具備一定可行性和準確性，可在煤礦井下推廣應用。