探地雷达探测采煤工作面隐伏钻杆研究

宋 劲,王 磊

(1.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083;2.中煤科工集团重庆研究院,重庆 400039;3.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)

探地雷达探测采煤工作面隐伏钻杆研究

宋 劲1,2,王 磊3

(1.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083;2.中煤科工集团重庆研究院,重庆 400039;3.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)

为了提前探测定位采煤工作面中的隐伏钻杆,探讨了利用防爆探地雷达技术进行采煤工作面隐伏钻杆超前探测的技术方法,结合雷达探测理论,计算出钻杆与煤层分界面的雷达波反射系数介于0.25～0.35,论证了雷达探测一般隐伏钻杆的可行性。通过煤层中雷达探测钻杆正演模型分析,获得了钻杆的雷达波波形响应特征。阳泉矿区煤层中隐伏钻杆的探测实践,确定了隐伏钻杆所在位置,探测结果得到了回采验证,经过统计探测钻杆准确率为81.2%,取得了很好的地质效果。研究表明,采用防爆探地雷达能较好的对采煤工作面中隐伏钻杆进行超前探测,解决了采煤工作面中隐伏钻杆的超前预测定位难题。

隐伏钻杆;采煤工作面;超前探测;防爆探地雷达;高频脉冲电磁波

我国许多地区煤矿煤层赋存条件较差,煤炭行业是高危行业,瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘、冲击地压等灾害困扰着煤矿安全生产[1]。受煤岩应力状态、地质构造、瓦斯含量及压力等相关因素的影响,在煤矿开采中易发生煤与瓦斯突出等灾害事故[2],严重威胁着煤矿安全生产和矿工的生命安全。为了保障煤矿安全生产,需要对高瓦斯危险区域打孔进行瓦斯抽放[3],达到安全标准方可生产作业。在打钻抽放过程中由于煤层地质条件、现场施工、机械故障、操作失误等多方面的原因,打钻容易出现卡钻、吸钻、夹钻、抱死等情况,造成钻杆断裂而遗留在回采工作面内。采煤机在回采作业中切割到前期遗留的隐伏钻杆后,会产生火花,容易引发瓦斯爆炸等安全事故。同时,钻杆容易损坏采煤机切割头。因此需要提前对回采工作面内隐伏钻杆进行超前探测,以确定隐伏钻杆的具体范围和位置,从而提前采取措施,保障安全生产。如何从几米厚、上百米宽的采煤工作面中探测定位直径为几厘米大小的钻杆就成为煤矿安全开采急需解决的技术难题。

防爆探地雷达是一种高精度探测手段,其分辨率大小可达分米至厘米级[4],是目前矿井物探中探测精度最高的,具有其他矿井物探手段不具备的高精度特点,同时具有高效率、无损探测的优点,是解决隐伏钻杆探测的煤矿井下高精度探测技术。

1 雷达探测隐伏钻杆的可行性分析

1.1 基本原理

探地雷达方法(ground penetrating radar)是一种用于确定地下介质分布的光谱(1 MHz～1 GHz)电磁技术[5]。根据接收机接收到的电磁波反射信号,可以深入分析电磁波在介质中的传播时间、能量大小和形态变化,从而间接推测出介质的物理和几何特征,即探测到目标体的空间位置和物理特性。

1.2 隐伏钻杆雷达反射系数分析

雷达波是一种超高频短脉冲电磁波,具有波的一般特性,在不同介质的传播过程中,遇到速度分界面将发生波的透射和反射现象。探地雷达波反射信号的大小决定了探测目标体在雷达结果显示中的清晰程度。反射回波信号越强烈,探测的目标体越清晰。而介质分界面两侧,电性特征差异越大,电磁波的传播速度差异越大,从而雷达回波信号能量也就越强,两介质间的分界面越易于分辨[6]。

雷达波反射信号的强弱由反射系数r决定,r与速度分界面两侧的介质电性特征相关,如图1所示。

雷达的发射和接收天线之间的距离与将要探测的目标深度相比数值较小,近似认为θ1≈θ′1≈0。根据反射系数公式[7]有

图1 电磁波在介质分界面反射示意Fig.1 The reflect map of GRP wave

式中,z1为介质1的波阻抗;z2为介质2的波阻抗。其中,ε1′为介质1的相对介电常数;ε2′为介质2的相对介电常数,对于常见的介质有1≤ε′≤81。根据式(3),反射系数r由分界面两侧介质的相对介电常数决定,其大小绝对值小于1。当相邻介质的相对介电常数相等时,反射系数r=0,电磁波没有反射回波。当两侧相对介电常数差异越大,则反射系数r的绝对值越大,接收的雷达回波信号也越强。根据实际探测经验总结,当反射系数r ＞0.1时,比较适宜于探地雷达探测和识别目标体[8]。

隐伏钻杆探测中涉及到的主要介质为金属钻杆和煤层,煤层的相对介电常数ε1′为2.3～3.6[9]。钻杆为金属体,其相对介电常数的取值较复杂,一般认为在入射电磁波频率较低的情况下取ω＜1011Hz,就认为是“低频”的情况,比如微波、无线电波等。此时,金属体的相对介电常数是一个复数,其数值将很大,表明金属将吸收电磁波,同时产生焦耳热。同样条件下,绝缘体的相对介电常数是一个实数,绝缘体与金属的相对介电常数差异很大[10]。基于保守估算,假设金属钻杆的相对介电常数ε2′为10,则根据式(3)可知电磁波在煤层和金属钻杆之间的反射系数|r|介于0.25～0.35,大于0.1的理想探测条件。所以从反射系数的角度来讲,采用防爆探地雷达探测采煤工作面中的隐伏钻杆具备非常理想的探测条件。

1.3 隐伏钻杆雷达探测分辨率分析

雷达探测所能识别的最小目标物体的能力为探测分辨率,在采煤工作面隐伏钻杆探测中探测仪器的分辨率非常重要,探测的最大困难就在于钻杆尺寸相对于采煤工作面太小,钻杆的尺寸一般为直径几个厘米,长度1 m左右,而采煤工作面的尺寸为高为几米,长度为上百米。雷达波的最小分辨能力能否识别隐伏钻杆,在探测中至关重要。

雷达分辨率分为纵向分辨率和横向分辨率,纵向分辨率也称时间分辨率由介质中的波长λ决定,横向分辨率又称空间分辨率,不仅与介质中的波长有关,还和目标体埋深h有关,在探测深度范围内埋深越小,分辨率也就越高。一般来说雷达波探测理论上极限的最小分辨率为λ/8,在实际应用中考虑到环境干扰等复杂因素,实际应用纵向分辨率为λ/4,横向分辨率为λh/12[11]。

其中,λ为波长;v为波速;f为频率。电磁波在相同媒质中传输的速度不变,波长就和频率成反比,频率越大,波长越小,同时探测分辨率就越高[12]。

在隐伏钻杆探测中,煤层的ε′1为2.3～3.6,选取雷达波的主频为100 MHz,探测距离为4 m。可计算出雷达波在煤层中的波长为1.58～1.98 m,则雷达波在煤层中的纵向分辨率为0.395～0.495 m,横向分辨率为0.527～0.660 m。而国内常用的钻杆直径为0.04～0.09 m,长度为0.75～1.50 m,钻杆长度大于雷达波在煤层中的最小分辨率。因此从理论上估算,主频为100 MHz的雷达波能很好地探测识别煤层中的隐伏钻杆。

1.4 煤矿井下雷达探测干扰分析

探地雷达在地面工作时,属于半空间环境,电磁波向周围空间发散出去,数百米范围内的地面突出物体产生的反射波叠加在雷达接收图谱上,形成干扰,其特点是干扰范围大,深度深,干扰曲线多呈双曲线形状。探地雷达在煤矿井下工作,类似于全空间环境,在狭小的空间内干扰源要比地面少,主要干扰源来自探测后部的反射,特别是金属体的反射,如图2所示。其特点是雷达波在金属表面产生全反射,在空气中不衰减,产生的反射波能量强,中心频率几乎不偏移。由于距离近,干扰的范围小,深度浅,强度大,干扰曲线多呈现直线,如图3所示。

图2 井下雷达后部反射干扰示意Fig.2 The map of GPR rear interference in coal mine

图3 井下雷达后部反射干扰波形Fig.3 The waveform of GPR rear interference in coal mine

井下金属体产生的干扰可根据与巷道的分布关系分为线性干扰和独立物体干扰。线性干扰金属体一般沿巷道方向展布,多属于巷道整体环境的一部份,干扰比较有规律,比较容易识别,如金属支护,管线,锚网等。独立金属体干扰没有规律,特别容易和探测目标混淆在一起,探测时一定要尽量避开,如钻机、掘进机、机电设备等。

对雷达图谱上的干扰波形,可以通过后期叠加、滤波等技术手段进行部分抑制和消除,突出雷达异常反射,如图4所示。图4中为一钻杆探测异常图谱。由于水平反射干扰过多,信号较为强烈,钻杆异常在图中显示并不明显,容易忽略掉。采用KL变换法消除水平干扰后的时间雷达剖面图就很容易看出雷达剖面上的异常。

图4 干扰去除剖面对比Fig.4 The map of original data and remove the interference

然而,由于井下金属干扰距离近、能量强、去噪困难且效果有限,去噪过度还有可能损害有效信息。经多次实验研究表明,最佳解决办法是采用屏蔽天线进行探测,反射和接收天线均采用铜屏蔽罩,能同时大幅降低干扰源的产生和接收,很好地解决了雷达探测的井下干扰问题,极大地提高了探地雷达对煤层中隐伏钻杆的探测准确度,如图5所示。

图5 雷达屏蔽对比效果Fig.5 The effect contrast of radar shielding

2 雷达探测隐伏钻杆正演模型

探地雷达的正演模拟数值方法主要有两大类:几何射线法和波动方程法。几何射线法主要根据雷达波快速传播的物理学特点,利用射线理论的原理来模拟雷达的传播特性,缺少雷达波的动力学信息。波动方程法则利用波动方程理论来建立雷达波传播方程,通过方程求解来获得雷达波传播运动的规律。因此,对探地雷达的正演,波动方程模拟一直占有重要地位。其中时域有限差分(FDTD)方法在计算电磁学领域得到了快速的发展,成为探地雷达波数值模拟效果较好的一种工具和方法[13－15]。

模拟煤层情况建立隐伏钻杆雷达波探测正演模型。设钻杆长度为0.75 m,直径为0.073 m,钻杆相对介电常数为10,电导率为5×107s/m,如图6所示。设煤的相对介电常数3.5,电导率为5×10－4s/m。天线中心频率为100 MHz,空间步长0.015 m,时间步长0.25 ns。

目前使用的防爆探地雷达使用调幅脉冲源,正演中使用的模拟激励源的脉冲子波形式为

其中,ω0为中心频率;α为脉冲的衰减速率系数。模型采用GPML边界吸收条件时域有限差分法计算。

图6 隐伏钻杆探测正演模型示意Fig.6 The mode of buried drill pipe detection

正演模拟的结果如图7所示,图上显示模拟隐伏钻杆的雷达反射回波呈经典的双曲线反射回波,回波图像清晰、完整。从正演模拟的角度证明中心频率为100 MHz的雷达波对长0.75 m、直径0.073 m的隐伏钻杆有很明显的识别能力。

图7 雷达正演模拟结果Fig.7 The result of GPR forward modeling

3 采煤工作面隐伏钻杆雷达探测实例

3.1 基本概况

山西阳泉某大型新建矿井,批准设计生产能力5.0 Mt/a,可采煤层4层,可采总厚8.78 m,瓦斯含量大,属于瓦斯突出矿井。井田位于沁水煤田东部边缘中段,处于华北断块吕梁—太行断块沁水块拗武乡—昔阳北北东向褶带的东部边缘,总体上呈一东高西低的单斜,在单斜基础上发育的次级褶曲,由背向斜相间组成,轴向为NNE向,与地层走向一致,背向斜两翼倾角在5°～20°,区内断层较多,分布较集中;褶曲发育,轴向不一;北部陷落柱较多。

首采工作面为15号煤层,煤质为3号无烟煤。煤层平均厚度5.12 m,全区稳定可采。地层上属于石炭系上统太原组,主要由砂岩、砂质泥岩、海相泥岩、灰岩和煤层组成。一般含夹石2～4层,最多可达6层,夹石岩性为泥岩及炭质泥岩,顶板为砂质泥岩或粉砂岩。底板常为炭质泥岩,有时为砂质泥岩或粉砂岩。15号煤层软分层位于顶板下0.2 m左右,一般厚0.15～0.30 m,局部可增到0.5 m以上。

为了解决瓦斯问题,首采工作面巷道掘进采用跟顶作业,在巷道布置大量抽放钻孔,进行瓦斯抽放,由于发育煤层软分层,瓦斯大,在打钻抽放过程中,频繁发生钻杆卡钻、断裂事故,据矿方初步统计,有上千米,数百吨钻杆遗留在采煤工作面中,形成位置不确定的隐伏遗留钻杆,给采煤工作带来严重的安全隐患。为了在回采前提前采取措施,需要对隐伏钻杆进行超前探测,确定准确位置。

3.2 现场探测

探测仪器选用中煤科工集团重庆研究院生产的KJH－D防爆探地雷达,天线中心频率为100 MHz,天线体制为收发分离式屏蔽天线对,步距0.1 m,叠加次数16次,时间窗口300 ns,数据处理采用平均时间滤波对随机干扰进行了压制,采用SEC增益突出了异常波形。探测目的主要为超前探测工作面测线前方的抽放隐伏钻杆,并对隐伏钻杆位置进行定位。

探测地点为山西阳泉某矿15104首采工作面。利用采煤机检修时隙进行探测,不影响生产。选择在采煤工作面上进行测线布置和放置天线,按一定步距移动扫描探测,探测预报采煤正前方的钻杆异常情况。测线布置在切眼中部,测线长度约为60 m, 0.1 m一个测点,测线高度为1 m,共采集测点600个。

3.3 典型成果图谱

探测成果图谱分为两种典型的情况:一种是钻杆方向垂直于切眼巷道,如图8(a)所示;另一种是钻杆方向平行于切眼巷道,如图8(b)所示。图8中横坐标表示切眼巷道布置的测线位置,纵坐标表示垂直于切眼向回采工作面探测的方向,左侧用雷达双程走时(ns)表示,右侧转换成探测深度(m)。从图8可以看出雷达波在横向上反射波同相轴连续性产生断裂和偏移,形成明显的异常区域,成为判断隐伏钻杆水平位置的主要依据。

其中,图8(a)隐伏钻杆方向垂直于切眼巷道,距离采煤工作面的深度约为2.5 m,长度约为3 m;图8(b)隐伏钻杆方向平行于切眼巷道,距离采煤工作面的深度为1.8 m,长度约为4 m。

3.4 探测验证结果

图8 雷达探测垂直和平行隐伏钻杆成果Fig.8 The results of buried vertical drill pipe detection and buried parallel drill pipe detection

在首采工作面切眼巷道对工作面进行多次隐伏钻杆探测实验,探测预报全部经过回采验证,统计结果是:预报异常11次,其中9次为隐伏钻杆异常,2次为小断层异常,钻杆预报准确率为81.2%,探测预报和验证情况见表1。

表1 钻杆探测实验验证情况Table 1 Experiment of buried drill pipe detection

4 结 论

(1)防爆探地雷达能够准确探测采煤工作面的隐伏钻杆,该方法具备理论成熟、井下探测快捷方便、能在采煤工作面进行连续扫描探测等优点,有利于提前采取措施保障煤矿安全生产。

(2)现场探测要充分利用钻孔、掘进等基础资料综合分析,探测结果要不断与井下验证情况相对比,总结提高解释精度和可靠性。

(3)防爆探地雷达对煤矿小尺寸隐伏异常进行高精度快速定位探测工作具有广阔的发展前景。

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Study on the high precision detection of buried drill pipe by ground penetrating radar in the coal face

SONG Jin1,2,WANG Lei3

(1.School of Geosciences and Info-physics,Central South University,Changsha 410083,China;2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology& Engineering Group Corporation,Chongqing 400039,China;3.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to detect buried drill pipe in coal face,discussed the advanced detection method of buried drill pipe in the coal face by explosion-proof ground penetrating radar(GPR)technology.On the principle of GPR,proved the feasibility of buried drill pipe detection using high frequency impulse electromagnetic wave,calculated the reflection coefficient of interface between drill pipe and coal seam between 0.25 and 0.35,built the model of buried drill pipe detection,analyzed the corresponding characteristics of radar reflection wave.Through the buried pipe detection example of Yangquan mining area,the location and position of buried drill pipe was accurately determined,and the detection results was verified by mining with very good geological effect,through statistical accuracy of detecting buried drill pipe is 81.2%.Research shows that the high precision advanced detection of buried drill pipe by explosion-proof GPR can be realized to solve the difficult problem of buried drill pipe detection in the coal face.

buried drill pipe;coal face;advanced detection;explosion-proof ground penetrating radar;high frequency impulse electromagnetic wave

P631

A

0253－9993(2014)03－0537－06

宋 劲,王 磊.探地雷达探测采煤工作面隐伏钻杆研究[J].煤炭学报,2014,39(3):537－542.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1229

Song Jin,Wang Lei.Study on the high precision detection of buried drill pipe by ground penetrating radar in the coal face[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):537－542.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1229

2013－08－27 责任编辑:韩晋平

国家自然科学基金重点资助项目(50534080)

宋 劲(1974—),男,四川乐山人,高级工程师,博士研究生。Tel:023－65239460,E－mail songjin33@163.com