地质雷达在乌东煤矿急斜煤层地质异常区的应用

卢 俭 王洪民

1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.神华新疆能源有限责任公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830027）

随着国家煤炭资源整合政策的实施，神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿上部的原曙光村煤矿被迫关闭，原有矿井技术人员整合入乌东煤矿。原曙光村煤矿生产混乱，其老旧采空区位置与原开采的空间范围尚不确定。当前神新能源公司乌东煤矿+600m水平南、北掘进巷位于原曙光村煤矿老旧采空区范围正下方，采场围岩极易贯通工作面上方的原有老旧采空区，形成供氧通道，那么，原有老旧采空区内遗留煤体就会发生自燃，且采空区内的有毒有害气体与老窑积水也会通过丰富的裂隙网进入现有采场空间，这将给乌东煤矿生产安全造成重大隐患。因而为了探明乌东煤矿+600m 水平现有开采水平上方老旧采空区的位置情况，需采用先进的探测设备进行探测，以确保矿井安全高效生产。

1 现场探测方案设计

1.1 探测设备的选取

现场一般通过钻探的手段对位置区域进行探测，但探测手段单一，实施过程费时费力且只能对特定区域、地点进行探测，而对两个特定测点之间的未知区域是否存在安全隐患却无能为力。探地雷达技术是一种用于确定地下介质分布的广谱（1 MHz-1GHz）电磁技术，高频短脉冲电磁波为地质雷达所发射的主要类型电磁波，由一体化主机、发射部分、接收部分及配套软件等组成，以电磁波的传播规律为基础，以分析电磁场分布及电磁波在老旧采空区中传播规律为理论。当电磁波在岩体介质传播中遇到异性物质 （如老旧采空区）时，雷达探测图像会因探测岩体的电性差异而产生反射波，被监测设备接收。通过分析探地雷达上探测图像的同相轴畸变特征用于推断探地雷达探测目标对象的波形旅行时间等数据，计算探测物理目标体所在的位置。

当老旧采空区中岩体介质中的电荷充电具有有限响应时间时，其对外部慢速的变化体现出似稳特征，而对外部快速的场变化体现出自由运动特征。依据能量损耗和能量存储的相对强度大小，波场呈现出凋落和波动特性。因而地质雷达的采用能很好地完成对原曙光村煤矿老旧采空区的实时连续性探测工作。故选用SIR-20高速地质雷达光谱地磁探测技术对采空区进行探测。

1.2 探测设备位置的确定

为了使探测结果准确可靠，更贴近现场的真实情况，根据乌东矿提供的地质资料，优化确定了基于地质雷达的老旧采空区探测实施区域。乌东煤矿+600m 水平东冀45＃煤层工作面位于副斜井筒东侧，煤层倾角45°。曙光村煤矿已对该急倾斜煤层浅部资源进行了回采，其开采边界位于乌东煤矿东翼走向2650～2850m 之间，因此，确定对原曙光村煤矿老旧采空区正下方+600m 水平45＃煤层东翼南巷2650～2850m 范围进行2次探测，探测深度为35m。选取探测天线的角度分别为30°和45°，具体探测方案的布置如图1所示。

2 探测结果分析

2.1 30°雷达测角结果

探测天线角度为30°时，南巷地质雷达探测结果见图2。图2 （a）雷达线扫描图为南巷走向2750～2800m 范围，矩形圈定的位置为垂直测程40～260ns，主要呈现出明显的层状分布特点，电磁波同相轴连续，未出现明显的起伏；椭圆圈定的位置为垂直测程280～380ns（巷道上方2.5～4.0 m 范围），电磁波同相轴相位出现异常，出现明显的起伏甚至不连续，确定该区域为探测异常区域。结合钻探所获取的钻孔岩性信息，判定在走向2750～2800m 范围内距巷道上方2.5～4.0m 范围内煤岩体内部破碎严重，存在老旧采空区。

图1 SIR-20高速地质雷达探测设计图

图2 测角为30°的探测结果

图2 （b）雷达线扫描图为南巷2800～2850m范围的探测结果。矩形圈定的位置为垂直测程30～240ns，图像出现波浪形突变，未见清晰的条带分层，且图像主色调发生变化；电磁波同相轴出现起伏，整体交替分布显著，表明该区域未出现较为明显的地质异常区域。椭圆圈定的位置为垂直测程260～360ns（巷道上方2.5～3.5 m 范围），电磁波同相轴呈现零乱状、突变明显，并存在波形呈叠加状的趋势，判定该区域为探测异常区域。通过预先留设的导水孔，探明该区域出现异常是由于煤体内所富存的水体。疏导水过程中最大排水量达10.2m3／h。

2.2 45°雷达测角结果

探测天线角度为45°时，南巷地质雷达探测结果见图3。图3 （a）雷达线扫描图为南巷走向2785～2765m 范围，矩形圈定的位置为垂直测程60～250ns，测程内图像呈现较为清晰的条带状交替分层特点，未见地质异常区域；椭圆圈定的位置为垂直测程300～400ns（巷道上方2.1～2.8m 范围），测程内图像由层状向散状分布过渡，电磁波同相轴相位出现异常，出现明显的起伏甚至不连续并出现部分波形叠加，确定该区域为探测异常区域。结合钻探所获取的钻孔岩性信息，分析认为巷道上方2.1～2.8m、南巷走向2785～2765m 范围煤岩体破碎严重，为老旧采空区。

图3 （b）雷达线扫描图为南巷2750～2700m范围的探测结果。矩形圈定的位置为垂直测程40～180ns，测程范围内探测图像为同层状分布特征显著，电磁波同相轴偏转量增大，但未见显著的突变现象，由此表明此区域未出现异常，岩层完整，但岩层相对介电常数增大，导致同相轴偏转量发生变化；椭圆圈定的位置为垂直测程240～300ns（巷道上方1.4～2.0 m 范围），测程内图像突变，反射波信号比较密集，频率较高，波形能量激增，由层状向散状分布过渡，表明该区域存在相对介电常数突增的介质材料，且电磁波同相轴相位出现异常，出现明显的起伏甚至不连续，并出现部分波形叠加，确定该区域为探测异常区域且所含介质材料相对介电常数显著大于周边岩层。通过预先留设的导水孔，探明该区域出现异常是由于煤体内所富存的水体，且岩体破裂显著，裂隙发育较明显。

图3 （c）雷达线扫描图为南巷2680～2650m 范围的探测结果。矩形圈定的位置为垂直测程60～200ns，测程段图像呈现较明显的高能波浪形分层，电磁波同相轴偏转量增大，但未见显著的突变现象，由此表明此区域未出现异常，岩层完整，但岩层相对介电常数增大，导致同相轴偏转量发生变化；椭圆圈定的位置为垂直测程240～280ns（巷道上方1.4～1.7 m 范围），图像有一条低能率层状条带，测程段内电磁波同相轴偏转且波形异常交错分布，波形零乱，界面不连续，存在地质异常区域。结合钻探所获取的钻孔岩性信息，分析认为在走向2680～2650m 范围内距巷道上方1.4～1.7m 内为老旧采空区，煤岩体破碎严重，裂隙发育明显。

图3 测角为45°的探测结果

3 结论

（1）南巷30°测角探测结果表明：在走向2750～2780m 范围内距巷道上方2.5～4.0m 范围内煤体破碎严重，存在老旧采空区；在走向2800～2850m 距巷道上方约2.5～3.5m 范围内的煤层含水量较为丰富。

（2）南巷45°测角探测结果表明：走向2785～2765m 范围距巷道上方约2.1～2.8m 处煤岩体破碎严重，为老旧采空区；在走向2750～2700m 距巷道上方1.4～2.0m 范围内出现异常是由于煤体内所富存的水体，且岩体破裂显著，裂隙发育较明显；在走向2680～2650m 距巷道上方1.4～1.7m范围内为老旧采空区，煤岩体 破碎严重，裂隙发育明显。

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