基于鉆孔雷達(dá)的透明工作面構(gòu)建方法

蔣必辭 ，程建遠(yuǎn) ，李 萍 ，劉文明 ，余俊輝 ，吳國慶

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

智能開采是煤炭行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。實現(xiàn)工作面“透明”是智能開采的地質(zhì)需求，其核心為利用物探、鉆探等手段，探測煤層起伏、厚度、異常體等地質(zhì)信息，構(gòu)建高精度的工作面模型（簡稱透明工作面）[1]。透明工作面研究與實踐工作近年來取得快速發(fā)展。程建遠(yuǎn)等提出綜合運(yùn)用物探、鉆探、采掘工程等多種地質(zhì)信息，逐級構(gòu)建智能開采工作面地質(zhì)模型的方法[2]，并在山西某煤礦XY-S 工作面進(jìn)行實踐，實現(xiàn)煤厚預(yù)測誤差小于0.3 m，煤層底板高程誤差0～1 m 的精度，但也同時指出，亟需研發(fā)隨采智能探測、孔中地質(zhì)雷達(dá)、視頻煤巖識別等新技術(shù)新裝備，實現(xiàn)工作面高精度三維地質(zhì)建模[3]?？梢?，煤巖界面的高精度探測是構(gòu)建透明工作面亟需解決的難點(diǎn)。

煤巖界面探測分為地面探測和井下探測。地面探測方法有高密度全數(shù)字三維地震[4]、地面高密度電法[5]等。煤礦井下探測包括槽波勘探[6-7]、隨掘地震實時超前探測[8]、隨采地震技術(shù)[9-11]、礦用探地雷達(dá)[12]、礦用伽馬測井技術(shù)[13-14]等，其中精度較高的為探地雷達(dá)和礦用伽馬測井技術(shù)。礦用探地雷達(dá)在巷道內(nèi)工作，受巷道內(nèi)金屬影響嚴(yán)重，同時超前探測距離較短。礦用伽馬測井主要用于穿層孔，起定點(diǎn)標(biāo)定作用。鉆孔雷達(dá)作為一種探測精度高、探測范圍大的孔中物探方法[15-16]，與探地雷達(dá)相比，可以避免巷道內(nèi)的金屬干擾[17]。目前，鉆孔雷達(dá)主要應(yīng)用于地面垂直鉆孔[18]，對金屬礦巖性界面有一定探測效果[19]，對探測煤巖界面也有相關(guān)可行性研究[20]。

筆者提出利用鉆孔雷達(dá)構(gòu)建透明工作面的方法，通過研究煤層原位電磁波傳播速度計算方法、煤層頂/底板偏移成像以及多孔聯(lián)合技術(shù)，實現(xiàn)匹配實際生產(chǎn)的3 種透明工作面構(gòu)建模式。

1 鉆孔雷達(dá)探測煤巖界面方法

鉆孔雷達(dá)探測煤巖界面的物理基礎(chǔ)為高頻電磁波在遇到煤層與巖石界面時會發(fā)生反射。單孔反射雷達(dá)原理示意如圖1 所示。

圖1 鉆孔雷達(dá)探測煤巖界面原理Fig.1 Schematic diagram of borehole radar detecting coal rock interface

單孔反射雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法與探地雷達(dá)及反射地震數(shù)據(jù)處理方法近似[21]，主要包括：資料整理、數(shù)據(jù)編輯（廢道剔除、漂移處理）、常規(guī)處理（濾波處理）、偏移處理、雷達(dá)圖像增強(qiáng)處理（增益處理、道間均衡、道內(nèi)均衡、振幅恢復(fù)）、特殊處理（小波變換、二維濾波、反褶積處理）等。根據(jù)鉆孔雷達(dá)探測煤巖界面實際工作總結(jié)出其數(shù)據(jù)處理與解釋流程，如圖2 所示。針對煤礦井下順煤層鉆孔探測煤巖界面著重研究原位煤層雷達(dá)波傳播速度的計算和基于煤層頂、底界面空間的約束偏移成像方法。

圖2 鉆孔雷達(dá)探測煤巖界面數(shù)據(jù)處理與解釋流程Fig.2 The workflow of borehole radar data processing and interpretation for detecting coal rock interface

1.1 原位煤層雷達(dá)波傳播速度計算

在煤礦井下將鉆孔雷達(dá)天線送入孔內(nèi)進(jìn)行探測時，孔口外的區(qū)域為有限空間，孔口處的巷道壁與空氣形成一個強(qiáng)烈的波阻抗界面，雷達(dá)波遇到該波阻抗界面產(chǎn)生反射形成巷道波。利用gprMax 軟件[22]建立理論模型，分析巷道波特征。模型激勵源及輸出參數(shù)見表1，模型幾何參數(shù)見表2。模型中煤層的相對介電常數(shù)為4 或2，頂?shù)装鍘r層相對介電常數(shù)均為8。煤層電導(dǎo)率為0.001 S/m，頂?shù)装鍘r層電導(dǎo)率均為0.01 S/m。煤層和頂?shù)装鍘r層的相對磁導(dǎo)率均為1。巷道及鉆孔中均充滿空氣。圖3 為模型立面示意圖，其中鉆孔傾角15°，開孔位置距離底板1 m。通過改變鉆孔傾角、開孔位置、巷道高度、煤層速度，對比分析巷道波特征。分別進(jìn)行無巷道和有巷道（鉆孔傾角15°）對比（圖4a和圖4b）；有巷道時鉆孔傾角為15°和30°的對比（圖4b和圖4c）；巷道與煤層等高、巷道高于煤層1 m 時的對比（圖4b 和圖4d）；開孔位置分別在距煤層底板1 m和2 m 時的對比（圖4b 和圖4e）；煤層速度分別為0.15 m/ns 和0.212 m/ns 時的對比（圖4b 和圖4f）。

圖3 基本模型Fig.3 Schematic diagram of basic model

表1 激勵源、輸出參數(shù)及吸收邊界條件Table 1 Excitation source, output parameters and absorption boundary conditions

表2 幾何模型參數(shù)Table 2 Geometric model parameter

由圖4 經(jīng)過對比分析可知，巷道波斜率在鉆孔傾角改變、巷道與煤層關(guān)系不同時均不受影響，僅與煤層速度有關(guān)，表現(xiàn)為煤層雷達(dá)波速度的導(dǎo)數(shù)。因此，在鉆孔雷達(dá)時域響應(yīng)剖面上拾取巷道波同相軸，在同相軸上取2 個點(diǎn)P1（S1,t1）、P2（S2,t2）（圖4b），按下式求取煤層雷達(dá)波傳播速度vc。

圖4 不同模型的鉆孔雷達(dá)響應(yīng)時域剖面對比Fig.4 Comparison of borehole radar response time-domain profiles of different models

式中：vc為煤層雷達(dá)波傳播速度，m/ns；S1、S2分別為P1、P2點(diǎn)在鉆孔雷達(dá)時間剖面上的孔深，m；t1、t2分別為P1、P2點(diǎn)在鉆孔雷達(dá)時間剖面上的時間，ns。

1.2 煤層頂、底界面空間約束偏移成像

地面探地雷達(dá)在探測界面時進(jìn)行偏移處理原理如圖5 所示，由于測線（AF）與地層界面（BD）不平行，反射界面（即地層界面BD）與地質(zhì)雷達(dá)時間剖面反射同相軸（B′D′）不對應(yīng)，B′D′經(jīng)過偏移處理后歸位為BD[23]。

順煤層孔中鉆孔雷達(dá)為全空間探測，時間剖面上頂、底板界面反射同相軸與其反射界面不對應(yīng)，且與二者的空間相對位置關(guān)系不對應(yīng)，如圖6a 所示，頂?shù)捉缑鎽?yīng)分布在鉆孔兩側(cè)，而圖6b 鉆孔雷達(dá)時間剖面上二者均在一側(cè)。經(jīng)過圖5 所示的偏移處理后煤層頂、底板界面均在鉆孔一側(cè)，無法體現(xiàn)鉆孔與煤層頂?shù)装褰缑婵臻g相對位置關(guān)系。

圖5 偏移原理Fig.5 Schematic diagram of migration imaging

為了將頂?shù)装褰缑娉上衽c實際地質(zhì)界面位置對應(yīng)，利用鉆孔孔口與頂?shù)装蹇臻g相對位置關(guān)系約束實現(xiàn)偏移成像。具體方法為：從時域剖面分別提取頂?shù)装褰缑娣瓷渫噍S，利用孔口空間位置關(guān)系及鉆孔軌跡進(jìn)行約束，根據(jù)煤層雷達(dá)波速度分別對頂?shù)追瓷渫噍S進(jìn)行偏移處理，實現(xiàn)頂、底板界面偏移成像。煤層與頂?shù)装褰缑婵臻g位置約束偏移成像結(jié)果圖如圖6c所示。

圖6 煤層與頂/底板界面空間位置約束偏移成像Fig.6 Spatial position constrained migration imaging of coal seam and roof/floor interface

2 透明工作面構(gòu)建方法

煤礦井下在工作面開采前進(jìn)行掘進(jìn)，構(gòu)建輔助巷道，在輔助巷道內(nèi)施工大量的長鉆孔用于探水、探氣等，在工作面開采過程中在切眼施工大量的卸壓短鉆孔，因此，可以在這些鉆孔進(jìn)行鉆孔雷達(dá)探測。根據(jù)工作面實際開采情況，鉆孔雷達(dá)構(gòu)建透明工作面模式可分為回采前長鉆孔模式、回采中短鉆孔模式、聯(lián)合模式共3 種模式：回采前長鉆孔模式主要是針對地質(zhì)條件相對簡單的工作面，利用巷道內(nèi)施工的長鉆孔進(jìn)行大范圍的探測，在回采前構(gòu)建透明工作面；回采中短鉆孔模式是針對地質(zhì)條件相對復(fù)雜的前期地質(zhì)資料相對較多的工作面，利用切眼卸壓短孔進(jìn)行探測，在回采過程同時探測；聯(lián)合模式是針對工作面地質(zhì)條件相對復(fù)雜，地質(zhì)資料相對較少的工作面，在回采前通過長鉆孔進(jìn)行初步探測，在回采中進(jìn)一步精細(xì)化探測，構(gòu)建透明工作面。多鉆孔聯(lián)合構(gòu)建透明工作面工作流程如圖7所示。下面重點(diǎn)介紹鉆孔的設(shè)計以及多孔聯(lián)合方法。

圖7 構(gòu)建透明工作面工作流程Fig.7 Workflow of constructing transparent working face based on borehole radar

2.1 鉆孔設(shè)計原則

回采前長鉆孔模式：對煤層賦存地質(zhì)條件相對簡單的工作面，采用回采前長鉆孔探測模式。長鉆孔可在工作面兩側(cè)巷道內(nèi)實施（如圖8 中黃色長線）或在單側(cè)巷道內(nèi)實施（如圖8 中綠色長線）。在兩側(cè)巷道施工鉆孔采用對稱交叉設(shè)計，在一側(cè)巷道施工的鉆孔平面上采用鉆孔群散射狀布置，開孔角度采取近水平小傾角設(shè)計，避免長鉆孔穿過煤層頂?shù)装?，對于高位鉆孔朝底板開孔，開孔傾角為負(fù)，對于低位鉆孔朝頂板開孔，開孔傾角為正。鉆孔開孔位置要求偏離煤層中心位置。

回采中短鉆孔模式：對于地質(zhì)條件復(fù)雜的工作面，采用回采中短鉆孔滾動探測模式進(jìn)行探測（如圖8 中粉色短線）。在開采間歇，快速實施深度小于20 m 的短鉆孔，構(gòu)建開采前方15 m 范圍內(nèi)地質(zhì)模型。各個鉆孔開孔位置采用交錯設(shè)計并且偏移煤層中心，如圖9所示。

圖8 鉆孔雷達(dá)構(gòu)建透明工作面鉆孔布置Fig.8 Borehole design of constructing transparent working face based on borehole radar

圖9 鉆孔開孔位置切眼剖面位置Fig.9 Borehole design in sectional view

聯(lián)合模式：對于地質(zhì)條件復(fù)雜且前期地質(zhì)資料相對較少時，可采用回采前長鉆孔和回采中短鉆孔2 種模式聯(lián)合探測。

開孔位置與頂板界面距離Hhu、與底板界面距離Hhd、中心頻率fBHR及煤層相對介電常數(shù)εc滿足如下關(guān)系式：

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，c=3×108m/s；fBHR為鉆孔雷達(dá)中心頻率，Hz。

2.2 多孔聯(lián)合方法

單孔雷達(dá)探測結(jié)果屬于線狀數(shù)據(jù)，工作面頂?shù)装鍨槊鏍顢?shù)據(jù)，需要將多鉆孔探測的線狀數(shù)據(jù)融合成面狀數(shù)據(jù)。具體方法為：根據(jù)鉆孔軌跡儀探測的數(shù)據(jù)計算鉆孔軌跡絕對坐標(biāo)，將頂?shù)装逄綔y結(jié)果轉(zhuǎn)換為絕對坐標(biāo)，融合多鉆孔結(jié)果形成透明工作面所需的面狀數(shù)據(jù)。

利用鉆孔軌跡測量的傾角和方位角及孔口坐標(biāo)計算各個鉆孔的三維空間軌跡（Xk,Yk,Zk）：

式中：θDEVI為鉆孔軌跡儀測量的有效傾角，弧度角度；θAZIM為鉆孔軌跡儀測量的有效方位角，弧度角度；k為當(dāng)前點(diǎn)，k=1,2,···,K（K為鉆孔軌跡數(shù)據(jù)測量的點(diǎn)數(shù)）；（X0,Y0,Z0）為測量的孔口坐標(biāo)；SMD為鉆孔深度，m；θDLA為狗腿角，弧度角度；R為最小曲率半徑，m；

各鉆孔探測的煤層頂界面坐標(biāo)（Xr,Yr,Zr），及底界面坐標(biāo)（Xf,Yf,Zf）分別為：

式中：Hr為鉆孔雷達(dá)計算的煤層與頂板界面到鉆孔距離，m；Hf為鉆孔雷達(dá)計算的煤層與底板界面到鉆孔距離，m。

利用克里金插值[23]將多個鉆孔探測的頂板線和底板線進(jìn)行聯(lián)合，對于無鉆孔探測區(qū)域進(jìn)行插值計算，實現(xiàn)整個探測區(qū)域煤層頂?shù)捉缑婵臻g分布計算。

3 應(yīng)用實例

在沁水煤田某煤礦31004 工作面利用鉆孔雷達(dá)進(jìn)行構(gòu)建透明工作面的試驗性應(yīng)用。工作面總體為東高、西低單斜構(gòu)造形態(tài)，所掘3 號煤層傾角為2°～6°，平均坡度3°，煤層埋深485～567 m，平均厚度2.72 m，切眼傾向長度240 m，頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。

工作面回采過程中在切眼實施了大量卸壓孔，孔深17 m 左右，孔間距1.5～3.0 m。卸壓孔分布滿足短鉆孔模式。以其中一組卸壓孔（8 個）為例，進(jìn)行開采前方透明工作面的構(gòu)建。鉆孔相對位置關(guān)系以及鉆孔軌跡平面投影如圖10 所示，開孔信息見表3。

表3 卸壓孔開孔信息Table 3 Pressure relief holes information

圖10 鉆孔相對位置關(guān)系及軌跡平面投影Fig.10 Position relationship and borehole trajectory of boreholes

采用中心頻率200 MHz 鉆孔雷達(dá)儀和YQG1 手持式鉆孔軌跡儀進(jìn)行測量，儀器參數(shù)見表4。表5 為鉆孔雷達(dá)、軌跡測量的深度以及根據(jù)巷道波計算的孔口位置煤層雷達(dá)波速度。以開孔距頂板近（1 號孔）和距底板近（4 號孔）的2 個鉆孔為例展示單孔鉆孔雷達(dá)探測結(jié)果。1 號與4 號鉆孔時域剖面如圖11 所示，偏移成像結(jié)果如圖12 所示。

表4 儀器參數(shù)Table 4 Instrument parameters

表5 鉆孔信息統(tǒng)計Table 5 Eight boreholes measurement information

圖11 所示鉆孔雷達(dá)時間剖面清楚顯示巷道波、煤層與頂板和底板界面的反射同相軸，可用來計算煤層雷達(dá)波傳播速度及頂、底板界面。圖12 顯示的頂?shù)装褰缑媲逦?，起伏形態(tài)自然，符合實際情況。將所有鉆孔探測結(jié)果利用克里金插值算法融合成面狀數(shù)據(jù)，獲得煤層頂、底板界面的高程分布圖（圖13）。

圖11 鉆孔雷達(dá)時域剖面Fig.11 Borehole radar time domain profile

圖12 鉆孔雷達(dá)偏移成像Fig.12 Examples of borehole radar migration imaging results

圖13 煤頂?shù)捉缑娓叱谭植糉ig.13 Floor interface elevation distribution

為對探測精度進(jìn)行對比分析，分別利用鉆孔雷達(dá)數(shù)據(jù)和切眼實測數(shù)據(jù)，對之前收集資料建立的初始模型進(jìn)行更新。對比剖面距離孔口約5 m（如圖10 中剖面線位置）。對比結(jié)果如圖14 所示。

由圖14 可知，鉆孔雷達(dá)探測界面的整體變化形態(tài)與切眼測量結(jié)果基本一致，與原始模型相比，局部刻畫更細(xì)致。與切眼測量數(shù)據(jù)相比，探測結(jié)果中頂界面最大誤差為0.57 m，底界面最大誤差為0.54 m，煤厚最大誤差為0.30 m。鉆孔雷達(dá)探測煤巖界面精度由鉆孔雷達(dá)儀器精度、鉆孔軌跡精度、計算的煤層雷達(dá)波速度精度共同決定，煤厚精度與鉆孔軌跡無關(guān)，與鉆孔雷達(dá)儀器精度、計算的煤層雷達(dá)波速度精度決定。

圖14 鉆孔雷達(dá)測量與切眼測量結(jié)果對比Fig.14 Comparison of coal seam profile before and after updating

4 結(jié) 論

a.模擬分析表明，巷道波同相軸斜率與鉆孔傾角、鉆孔開孔位置、巷道高度無關(guān)，與煤層電磁波速度有關(guān)，可以利用巷道波同相軸斜率計算煤層雷達(dá)波速度。

b.給出了計算煤層頂、底板界面的偏移成像方法，該方法結(jié)合鉆孔軌跡可以反映沿煤層頂、底板界面的變化情況。

c.提出3 種匹配實際開采的透明工作面構(gòu)建模式：回采前長鉆孔模式、回采中短鉆孔模式和聯(lián)合模式。對回采中短鉆孔模式進(jìn)行了試驗性應(yīng)用，探測結(jié)果誤差小，局部刻畫更精細(xì)，可實現(xiàn)透明工作面的構(gòu)建。d.目前各個鉆孔在進(jìn)行鉆孔雷達(dá)偏移成像時采用的是孔口位置煤層的電磁波傳播速度，沿鉆孔的煤層電磁波速度變化未考慮，未來需要進(jìn)一步研究全區(qū)域煤層電磁波速度的計算方法。