探地雷达在煤巷超前探测中的应用

王莹 王勇强 邱德生 朱振龙 谢枫

淮南矿业集团地质勘探工程处，安徽 淮南 232001

探地雷达在煤巷超前探测中的应用

王莹 王勇强 邱德生 朱振龙 谢枫

淮南矿业集团地质勘探工程处，安徽 淮南 232001

在煤矿井下煤层巷道掘进中，对掘进前方进行超前探测，从而预知掘进前方的煤层异常情况，对于保障安全生产、预防突发性事故的发生有着重要的意义。探地雷达探测技术是一种快速、高效、经济、可靠的物探方法，将其应用于煤炭超前探测预报可以弥补超前钻探的不足，有利于提高煤巷超前探测的效率和可靠性。

探地雷达； 煤系地层；超前探；保障安全

由于受到瓦斯、水、矿压、顶板等煤矿灾害因素的影响，我国煤矿井下煤层巷道掘进作业面临极大的危害性。在施工前对掘进前方进行超前探测，从预知掘进前方的煤层异常情况，对于提前采取安全措施，保障安全生产，预防突发性事故的发生有着十分重要的意义。目前的超前探测手段主要采用钻孔探测，存在施工工期长，成本高，施工中仍然存在安全隐患等不足之处。探地雷达技术具有无损探测、不破坏煤体、无需辅助工程、探测时间短（＜1h）、操作安全的特点，可较好弥补钻孔探测的不足，有利于提高超前探测的效率和可靠性。

1.探地雷达煤巷超前探测原理

1.1 探地雷达基本原理

雷达源于Radar(Radio Deltection and Ranging)的音译，原意是“无线电探测与测距”，即应用无线电方法发现目标并测定其位置。雷达技术最早由军方研制使用，军事上用它来发现并测定目标的位置和速度。随着技术和社会需求的发展，雷达逐渐转为民用。探地雷达是其中一个分支，在地质勘探领域内用于对地探测，查找目标地层以及地下异常体等目标体。近年来随着微电子技术和信号处理技术的高速发展，探地雷达技术获得了长足的进步，广泛应用于工程地质调查、工程质量检测、矿产资源勘查、水文与生态环境调查、地质灾害探测、考古和地下掩埋物的探测等众多领域，成为浅层地球物理勘探中一种重要的技术。

与对空雷达探测原理相似，探地雷达技术是一种定向高频电磁波反射定位技术，它分辨定位异常目标体的基本物理原理是：发射定向高频电磁波，依靠目标体和周围介质之间的电性参数差异，使高频电磁波发生反射回波，通过对仪器接受的反射回波分析来区分不同的介质和目标体，见图1。其中，介质导电率和介电常数是2个关键的电性参数：介质导电率影响电磁波的探测深度，导电率越小电磁波探测深度越大；介电常数影响电磁波在介质中的传播速度，介电常数越小电磁波速度越快。在探地雷达探测中，电磁波反射系数主要取决于目标体和相邻介质的介电常数差异，差异越大反射系数也越大，仪器接收到的目标信号也越强。

图1 煤巷掘进头探地雷达超前探测平面示意图

1.2 防爆探地雷达波在不同介质交界面上的反射特性和距离定位

与其它波一样，电磁波在地下介质传播过程中，遇到不同的速度界面时将产生反射波和透射波，入射波、反射波和透射波的传播，都将遵守反射和折射定律。

雷达反射回波的强弱是我们分辨目标体界面的基础。而目标体与围岩之间的电性差异是否导致有足够的反射或散射能量为探地雷达系统所识别是探地雷达探测目标体可行性的关键。

电磁波在介质分界面上，反射波能量的大小取决于反射系数r。由于探地雷达的天线间距相对探测距离较小，可以认为，如表1所示。根据菲涅尔公式，反射系数可简化为下式：

ε1′－介质1的相对介电常数，ε2′－介质2的相对介电常数，对于常见的介质有1≤ε′≤81。

表1

反射系数值介于＋1和－1之间，其大小取决于反射界面相邻两层的相对介电常数。当相邻两层的相对介电常数相等时，反射系数r为0，电磁波不会反射。只有相邻两层的相对介电常数差异越大，则反射系数r越大，雷达接收信号越强。

实际应用中探地雷达所探测的地下物体经常具有不规则形状，而且目标体大小不一。用探地雷达探测地下目标，不光考虑地下目标与围岩的速度与电性参数差别，而且还应考虑目标的大小和形状，从而全面考虑探测情况。

防爆探地雷达探测目标体的距离定位可通过下列公式来计算：

H－目标体离探测点的距离，v－雷达波在介质中的速度，t－雷达波在介质中的双程走时。

1.3 探地雷达煤巷超前探测的可行性

探地雷达探测从某种意义上讲属于一种界面探测技术，煤矿巷道前方的异常构造实际模型可以简化为对不同异常体界面的探测。我国煤矿的可采煤层厚度最小为1米，最大可达上百米，一般到多为2～10米。工作面掘进巷道大多宽2～5米，高2～4米。煤矿中常见的煤田地质异常体物理尺寸大多为十几米，几十米甚至更大，同时也存在很多小的瓦斯地质构造体，这些异常界面简单来讲主要是煤和非煤异常体之间的界面（非煤异常体主要是岩石，也包括水和空气等）。因此，就煤矿井下情况而言，我们探测的大多是煤和非煤界面，电磁波的传播反射方式可以简化成平面反射。同时探测深度要求尽量远（深度要达到几十米），属于深部探测，要求防爆雷达仪器天线中心频率低，探测距离远。

煤层的相对介电常数为2.3～3.6。而岩层相对介电常数一般为4～9，空气中的相对介电常数是1，水中的介电常数是81。煤和非煤异常体之间存在的介电常数差异为探地雷达探测煤层异常体提供了可靠的地球物理依据。在超前探测中我们接触的首先是煤层，然后再在煤中探测和识别异常体，在不同介质分界面上将产生回波信号，这是我们识别异常体的基本波形依据。理想情况下，出现异常体的雷达回波走时图如图2所示。

图2 理想情况下雷达超前探测异常体单波示意图

图4 矿方提供66111顺槽平面示意图

图中，纵坐标表示雷达回波振幅大小（单位mv），横坐标表示双向走时（单位ns）。在双向走时图像上，首先有一个首波-直达波，其幅度最大，然后出现指数衰减。在异常体与煤层的分界面上产生一个幅度较大的异常体回波，反映出异常体的位置和距离。

在煤矿巷道掘进头实际超前探测中，情况要复杂得多，由于受巷道断面空间尺寸的限制，探地雷达的探测解释基本以单点单波为主。由于缺乏足够多的同等条件下的相对数据，建立超前探测的图谱具有相当的难度。当然，煤矿井下电磁干扰小，煤层异常体模型简单也为超前探测工作提供了有利的条件。

2.探测实例

2.1 探测时间地点

探测时间：2010年8月16日上午9时。探测地点：新庄孜煤矿66111顺槽q21测点前30.2米。

2.2 掘进工作面概况

掘进头巷道宽约4.8米，高约1.8～3. 5米，煤层厚约为4.2米左右。测线位于掘进头巷道中部，在煤层中探测，探测迎头平整度一般，对探测成果造成一定的影响。探测频率100MHz，探测方向从左往右（由巷道下帮向上帮）。整个探测工作时间约10分钟，其它情况略。

2.3 初步预报结果

探测结果（频率100MHz）：探测前方30米范围内，雷达波衰减基本均匀，但在探测前方14～17米附近位置出现小幅震荡回波，预计为矿方预计断裂构造，或是煤层破碎或煤层产状变化引起的小异常，也有可能是掘进面迎头不平产生的干扰，如图3所示。

图3 66111 工作面q21点前30.2米超前探测初步成果图（100MHz）

2.4 探测结果和现场揭露资料对比

巷道揭露以后，将初步超前探测结果（图3）和现场实际资料进行了对比，形成的探测结果验证见图4。从图3可以明显看出：在煤巷正常地段雷达反射回波很弱，甚至没有；而煤巷出现异常的位置附近都有大小不等的雷达反射回波。说明高频电磁波对煤巷异常具有明显的识别能力，采用探地雷达进行煤巷超前探测预报是行之有效的；从矿方提供的验证图纸（图4）中可以看出：本次试验巷道施工前方16.5m处发现一条H=1.0m断裂构造。

3.结论

3.1 应用探地雷达超前探测煤巷前方异常时，工作方法快捷方便，经济可行。

3.2 本次探测试验为矿方安全生产提供了切实可行的依据，并随着煤矿井下探测实践不断深入和探测技术的改进完善，探地雷达技术作为一种先进、方便的矿井物探手段在煤矿的推广应用中有着广泛的前景。

3.3 探测试验结果要与钻孔地质资料，局部区域资料结合起来综合分析，相互对比验证，提高解释的精度和可靠性，并降低物探资料的多解性。

[1]丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995

[2]张平松，刘盛东等.地球物理勘探教程[M].安徽：安徽理工大学出版社, 2007

[3]宋劲，蒋成站，吴燕清等.煤层电性参数测试技术完善的研究[R].重庆：煤炭科学研究总院重庆分院,1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.036

王莹（1981-）男，安徽寿县人，助理工程师。在淮南矿业集团先后从事地质测量及矿井物探工作。