KJH-D 型防爆探地雷達在新景礦掘進巷道的應(yīng)用

劉建偉

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

探地雷達探測技術(shù)具有快捷靈敏、高度適應(yīng)性等特點[1-2]。目前該技術(shù)主要用于地質(zhì)工程和巖土工程勘察等方面[3-4]。新景礦屬煤與瓦斯突出礦井，瓦斯的賦存規(guī)律及突出機理與礦井的構(gòu)造條件、煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性條件和瓦斯壓力等方面密切相關(guān)。

1 探地雷達探測原理

探地雷達通過發(fā)射天線以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面（如遇到裂隙、空洞等）產(chǎn)生反射波。該反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，同時接收到沿巖層表層傳播的直達波，兩種波被接收機在終端顯示?；跀?shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，依據(jù)雷達監(jiān)測的參數(shù)可預(yù)測掘進巷道前方的地質(zhì)構(gòu)造[5]。

2 新景礦雷達波速實測

為取得新景礦的雷達波速，在3215 輔助進風(fēng)巷、3215 回風(fēng)巷間、3215 回風(fēng)巷已知陷落柱處進行了五次雷達波速測試。雷達波速V=巷間距H×2/雙程旅行時T。實測可得：

（1）3215 輔助進風(fēng)巷與3215 回風(fēng)巷間，響應(yīng)雙程旅行時為380 ns 處，巷間距為35 m，平均波速V=0.184 m/ns。

（2）3215 回風(fēng)巷S991 測點探測側(cè)幫內(nèi)27 m 已知陷落柱。探測顯示在300 ns 處出現(xiàn)電磁波急劇衰減，屬陷落柱的雷達響應(yīng)。平均波速V=0.18 m/ns。

3 井下現(xiàn)場實測

（1）掘進巷道迎頭超前探測

在掘進巷道迎頭超前探測時，要將發(fā)射和接收天線豎起來，平行貼緊掘進面，方向朝著掘進前方進行探測采集數(shù)據(jù)，如圖1。

圖1 巷道迎頭超前探測異常體示意圖

（2） 掘進巷道側(cè)幫探測

掘進巷道側(cè)幫探測主要是沿巷道的走向做長距離的連續(xù)探測，形成幾十米至數(shù)百米長的連續(xù)探測剖面，同一測線的探測剖面可以進行相互比對分析，將剖面上每個測點獲得的雷達回波異常點串聯(lián)起來，就構(gòu)成反射界面的趨勢圖線，根據(jù)趨勢圖譜可以分析異常體的形狀和性質(zhì)，如圖2。

圖2 巷道側(cè)幫超前探測異常體示意圖

（3）掘進巷道頂?shù)装逄綔y

將雷達天線放置于煤層底板或頂板，從而實現(xiàn)頂板或底板探測。結(jié)果處理和地質(zhì)分析與側(cè)幫探測類似。分析煤巖層的位置、形態(tài)和展布特點，從而可以定性了解上下相鄰煤巖層的厚度、分布等地質(zhì)情況，如圖3。

圖3 巷道頂?shù)装宄疤綔y異常體示意圖

4 探地雷達數(shù)據(jù)處理

讀取導(dǎo)出的雷達數(shù)據(jù)，需先進行預(yù)處理，主要有時窗切除、廢道剔除等。最后對雷達信號增益處理，放大信號，便于技術(shù)人員識別和解釋。

（1）時窗切除

本次采用1400 ns 以留有多余的時窗。因此，在處理時可將無用的后期數(shù)據(jù)進行切除，如圖4，將部分后期數(shù)據(jù)切除，突出前期有效數(shù)據(jù)，利于成果解釋。

圖4 時窗切除圖

（2）廢道剔除

雷達在采集探測過程中，受煤巖體的平整度以及鉆桿、支護等干擾，個別道信號較差，不能用于解釋，同時還會在處理過程中壓制正常道，造成有效信號的失真。對這些信號進行廢道處理最為直接有效，如圖5。

圖5 廢道剔除圖

5 現(xiàn)場探測與地質(zhì)資料對比分析

5.1 現(xiàn)場探測

（1）3215 輔助進風(fēng)巷S976 南52.5 m 迎頭處超前探測

本次探測有效探測距離60 m 內(nèi)，成像表現(xiàn)為總體上無明顯強反射和衰減，不存在較大構(gòu)造。淺部區(qū)域存在局部弱反射，推測可能是因迎頭現(xiàn)場鉆孔造穴施工引起的煤體破碎而產(chǎn)生的雷達響應(yīng)，在后期掘進過程中需加強關(guān)注。經(jīng)驗證，巷道鉆探與掘進過程中均未見明顯地質(zhì)構(gòu)造，煤層發(fā)育連續(xù)穩(wěn)定。

（2）3215 回風(fēng)巷S1001 南45.4 m 迎頭超前探測

本次探測位置為3#煤3215 回風(fēng)巷S1001 南45.4 m 處，探測方向為掘進工作面正前方，有效探測距離約50 m。電磁波整體反射較穩(wěn)定，測線右側(cè)2 m 附近雷達反射波異常，反射波波形呈條帶狀，并且從頂端一直延續(xù)到末端，為雷達天線與掌子面未貼好造成的干擾。探測前方400 ns（約36 m）附近有較強電磁波反射，可能存在斷層或者煤層賦存形態(tài)變化引起反射波增強。經(jīng)驗證，鉆探、掘進過程中未見明顯地質(zhì)異常，前期施工個別造穴孔存在噴孔現(xiàn)象，探測35 m 附近處在掘進過程中未見明顯地質(zhì)異常，雷達探測結(jié)果與實際揭露情況存在偏差。

（3）3215 回風(fēng)巷與輔助進風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷（S976-S1001）底板探測

本次探測位置為3#煤3215 回風(fēng)巷與輔助進風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷（S976-S1001），測線由3215 輔助進風(fēng)巷測點S976 起至10 m 長結(jié)束，探測方向為巷道底板。

本次底板探測，采集參數(shù)除波速外其他參數(shù)與迎頭超前探測參數(shù)基本一致，探測深度接近40 m。雷達反射波呈現(xiàn)高頻同相軸現(xiàn)象。330 ns（約20 m）處有強雷達反射波出現(xiàn)，應(yīng)為下覆煤層，這與井田地層分布的下覆6#號煤層情況基本一致。

（4）3215 回風(fēng)巷S991 處側(cè)幫探測

本次探測位置為3#煤3215 回風(fēng)巷S991 處，探測方向為掘進巷道側(cè)幫向3215 輔助進風(fēng)巷方向。有效探測距離60 m 范圍內(nèi)，雷達反射特征明顯，在約27 m、36 m、55 m 附近出現(xiàn)強反射。27 m 處淺反射后雷達波形能量減弱，可能為發(fā)育陷落柱邊界。36 m 處為多次強反射，應(yīng)為空巷，即3215 輔助進風(fēng)巷。55 m 處反射后雷達波形能量減弱，可能為陷落柱周邊煤層破碎帶。

（5）3215 回風(fēng)巷S997 南50 m 處側(cè)幫探測

探測位置為3#煤3215 回風(fēng)巷S997 南61 m 處，探測方向為掘進巷道側(cè)幫向3215 輔助進風(fēng)巷方向。有效探測距離50 m 范圍內(nèi)，雷達反射波較穩(wěn)定，在14 m 附近出現(xiàn)強反射，后續(xù)雷達波形能量減弱，可能為發(fā)育陷落柱邊界。此外，在29 m 附近也出現(xiàn)類似雷達電磁波回波特征，可能為陷落柱附件煤層破碎帶。

（6）3215 輔助進風(fēng)巷S984 南106 m 迎頭處超前探測

本次探測位置為3#煤3215 輔助進風(fēng)巷S984 南106 m 處，探測方向為掘進工作面正前方，有效探測距離約50 m。其雷達波形總體上反射連續(xù)完整，反射回波無明顯強反射，也無明顯衰減，推斷不存在較大構(gòu)造。

5.2 探測結(jié)果分析

在對巷道進行探測和數(shù)據(jù)處理后，與探測結(jié)果對比分析，具體雷達探測結(jié)果與驗證統(tǒng)計見表1。

表1 探地雷達試驗情況統(tǒng)計表

6 結(jié)論

（1）采用KJH-D 探地雷達在新景公司掘進巷道進行探測，準確率達83%，探測距離可達60 m，適用于掘進巷道的圍巖的探測。

（2）雷達井下探測適用于掘進巷道的迎頭、側(cè)幫、底板的探測。探測時要保證煤（巖）壁的平整度，保證天線與煤（巖）壁耦合效果，消除或減弱金屬、帶電設(shè)備等干擾源。迎頭及其他較短的測線，可增加采集次數(shù)，以提高數(shù)據(jù)量利于后期處理分析。

（3）總結(jié)了雷達波形反射特征。完整煤（巖）體：反射波連續(xù)均一，呈規(guī)律緩慢衰減。斷層：強振幅反射，同相軸連續(xù)，能量衰減極快。陷落柱：強振幅反射，同相軸連續(xù)，能量衰減較快。空巷或采空區(qū)：強振幅兩次或多次反射，同相軸連續(xù)，能量衰減較快。天線與煤（巖）壁不耦合：反射連續(xù)均一，能量不衰減。金屬干擾：雜亂反射，有規(guī)律緩慢衰減。