地质雷达探测在煤矿中的应用及工作原理

熊国锦

（贵州省六盘水市钟山区煤炭管理局，贵州 六盘水 553001）

近年来，煤矿安全是我国政府高度关注的问题，也是全社会普遍关心的热点问题。影响煤矿安全的主要因素是煤矿瓦斯、地下水、煤层顶底板，煤尘和煤层自燃等，从根本上说都是地质问题。煤矿地质条件复杂，灾害严重。因此，提高安全地质因素的探明程度，建立安全地质保障系统，对于煤矿安全高效生产具有重要意义。

煤矿安全高效矿井地质保障系统，是根据安全高效矿井机械化、集中化程度高的特点和安全生产需要，以地质量化预测为先导，以物探、钻探等综合技术为手段，并依托先进的计算机技术，从而实现煤矿地质工作的动态管理和安全地质预警的全过程。

1 矿井地质雷达探测应用

地质雷达探测布置方法比较灵活，根据具体情况布置一些测点、测线或网格。在测线、网格上的点距一般为2～50m，根据具体情况和需要灵活改变。若勘探工程量大，应首先在室内设计。应用地质雷达探测技术可在巷道掘进工作面及采煤工作面内的任意方向探测，对同一目标可以改变方位角或仰俯角探测。在进行资料整理和地质解释时除根据波形的特征判断目标性质外，还应注意追踪回波在横向和纵向上的延续和变化，对应展现出地质构造在平面和剖面上的形态。尤其是在地面进行大面积勘探时，小的孤立目标在平面上不易追踪，这时可采用横向的衰减对比处理解释方法，只要在勘探时有足够的控制密度就可以找到突变点，即目标所在位置。

开滦矿务局范各庄矿使用地质雷达探测技术成功探测出未知陷落柱。范各庄矿北翼采区208运输乙巷沿12号煤层掘进，位于井口高水位区，其水位比周围高70m，在地质雷达跟踪探测中出现了与已知陷落柱相似的波形，因此提出前方有一大的破碎带，初步判断是陷落柱，随后停止掘进，再次进行地质雷达详探确认，同时进行钻探(Φ42mm孔)验证。先沿煤层打验10孔，在38m处见岩石，在119m处又钻入煤层，125.43m处终孔。由于小钻头钻进取芯很少，难以对岩石准确判断，后在煤层中打验11孔，钻进24m进入煤层顶板，一直钻到60m层位仍然正常。据此钻探结果并经分析，有人认为前方有两条断层，地质雷达探测的结果是:前方界面呈弧形分布，而且出现了陷落柱的波形，因此再次确认前方有一个新的陷落柱，编号12，验10孔打到的119m是其另一个边界，其长轴长约50m。后来由于12号煤的煤质松软，验11孔出水量有逐渐增大的趋势，据此巷道附近的地面钻孔资料，12号煤层底板砂岩水压高达2MPa，后又经过对公有的几块岩芯仔细鉴定，认为是上覆的9号煤层底板，所以认为是陷落柱的结论是正确的，随后该处用三道水闸墙封堵，后退绕行掘进，避免了一次透水事故。

图1 矿井地质雷达探测原理

2 地质雷达探测方法的原理

地质雷达探测技术是目前分辨率最高的工程地球物理方法，它是近些年迅速发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。其工作原理是基于不同岩土介质电磁波阻抗的不同，电磁波在地质体中传播时遇到波阻抗变化界面会发生反射，根据接收到的反射波的走时和波相可推断界面的位置和性质。当相邻的结构层材料的电磁特性不同时，就会在其界面间影响射频信号的传播，发生透射和反射。电磁波在地层系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发生透射和反射，由于介质对电磁波信号有损耗作用，所以透射的雷达信号会越来越弱。地质雷达探测系统主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等组成。见图1。

3 矿井地质雷达探测范围与设备特点

在煤矿采掘过程中，经常遇到复杂的地质异常现象，给正常的采掘生产带来困难甚至影响安全，尤其是在穿越老空区、软弱破碎带、岩溶区、煤与瓦斯突出危险的区域，若事先不能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与瓦斯突出事故，影响矿井的安全生产。在地面工程地质勘探中，要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地质探测手段提出了高要求。地质雷达探测技术始于20世纪60年代，经过不断的研究发展，已经实现了单点探测和连续探测实时自动成图。国外的地质雷达探测均为单脉冲雷达，其特点是发射信号为高压脉冲，工作频率为50～1000MHz，分辨率高，但是，设备不易满足矿井防爆要求。由于地层对电磁波的衰减随工作频率的升高而增大，低频段多用于探测衰减较大的地下目标或远距离目标，而高频段多用于衰减小的地层中的探测、浅部或表面探测。由于中间频段既有较大的探测距离又兼顾了分辨率，所以多用于普查勘探，而高频段和低频段多用于详查、精查勘探或针对性较强的探测。

4 采取的措施及对策

4.1 转变地质工作观念

地质工作是煤炭企业技术的基础工作，更是煤矿经济效益的基础。针对矿井地质条件日趋复杂的客观事实，矿技术人员坚持“生产需要是目标，超前探明是标准，地质分析是基础，指导生产是关键”的技术工作思路，抓好巷道布置前、综采工作面安装前、回采工作面遇地质构造前和过断层过程中的地质工作，以适应现代采煤技术的快速发展。

4.2 建立矿井高产高效地质保障系统

高产高效地质保障系统是矿井地质工作的目标。地质保障系统不是将现有的几种地质工作方法和手段简单相加结合而成，而应是以本矿区特定的地质条件为基础，使用先进可靠的地质技术手段，及时有效地为生产提供准确可靠地质资料，满足综掘、综采工艺对地质要素查明程度要求为目标的工作过程。系统主要构成为:以矿井补充勘探为基础，提高对煤层、地质构造的控制程度;以计算机为基础的地测基础图件、数据信息化管理技术;以三维地震、无线电波坑道透视、快速钻探为基础的超前探测技术;以综合地质分析、预测为基础的科学管理技术。通过建立高产高效地质保障系统，更好地实现高产高效矿井的建设。

5 结束语

地质雷达超前探测地质构造技术在我国煤矿生产过程中已经得到了广泛的应用，并且取得了长足的发展，但是地质雷达也有其局限性，在以下3个方面有待于进一步提高：(1)探测距离与分辨率的矛盾无法克服;(2)多次波及其他杂波干扰严重，原始记录的信杂比低，有效波的识别及其成果解译十分困难;(3)所获得的被探测对象的空间信息量太少，其资料成果的解释往往存在多解性。

[1]彭苏萍等.煤矿安全高效开采地质保障技术[M]徐州:中国矿大出版社，2007