地质雷达超前探测在常村煤矿的应用研究

段 毅，许献磊(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

地质雷达超前探测在常村煤矿的应用研究

段 毅，许献磊
(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

巷道掘进前方隐伏的灾害源极易造成矿井事故的发生，对煤矿的安全生产构成了极大的威胁。对掘进巷道进行超前探测，从而掌握掘进巷道的煤层异常情况具有十分重要的意义。本文首先介绍了基于地质雷达方法的煤巷超前地质探测方法和原理，然后从实际工程应用出发，对潞安集团常村煤矿皮带顺槽反掘巷进行地质雷达超前地质探测。应用基于时间剖面和频率剖面复合解释技术对处理后的数据进行解释，结果表明：探明了反掘巷侧帮及迎头面地质构造情况、确定了6个煤/岩性变化带、2个破碎和裂隙水区域的位置和深度。

煤井灾害源；地质雷达；超前探测；数据处理

我国煤炭开采地质条件复杂，矿井突水等矿井隐伏灾害源导致我国煤矿事故频发，威胁矿井安全。地方各级安全监管部门提出了煤矿水害防治“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字方针。矿井防治水工作的关键就要求首先采用物探技术查明隐伏含水等不良地质构造，并提前采取治理对策[1]。随着地球物理勘探技术的发展，比如地震勘探、瞬变电磁等技术方法为煤矿安全提供了有力的技术支撑。矿井地质雷达技术因其探测精度高、实用方便，已经广泛地应用于矿井灾害源的超前探测中[2-4]。

本文针对潞安集团常村煤矿存在的地质异常问题，从实际工程应用出发，对常村煤矿皮带顺槽反掘巷进行地质雷达超前地质探测研究。结果表明，矿井地质雷达技术探明了反掘巷侧帮及迎头面地质构造情况、确定了煤/岩性变化带、破碎和裂隙水区域的位置和深度。

1 地质雷达工作原理

地质雷达通过信号发射天线发射高频宽频带电磁波，接收天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化。因此，根据接收到的电磁波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况[5-7]，其工作原理如图1所示。矿用本安型地质雷达在矿井下主要解决以下问题[2，7]：①矿井地质异常体探测(顶底板及侧帮，掘进面及回采工作面前方范围，小断层、采空区、陷落柱、含水区等)；②煤层厚度、煤厚异常变化带、可能的煤层瓦斯突出带探测；③其他各类地下未知地质情况的超前地质预报。

2 地质雷达探测实验

2.1 研究区概况

常村煤矿位于山西省长治市屯留县境内，距潞安集团约9 km，地理坐标：东经113°00′，北纬36°20′。常村煤矿主要含煤地层为下二叠统山西组及上石炭统太原组，含煤10～17层，其中可采煤层为3#煤层和15#煤层。常村煤矿现主采3#煤层。矿井采用中央立井开拓方式，分两个水平开采，第一水平为+520 m水平，主要运输大巷布置在3#煤层下约30 m岩层中，开采3#煤层的浅部条带；第二水平为+470 m水平，开采3#煤的深部及15-3#煤。两个水平之间采用暗斜井联络。采煤方法为走向(或倾向)综采放顶煤一次采全高和分层长壁金属网假顶全部垮落法。

图1 地质雷达反射探测原理图

2.2 仪器及测线布置

此次现场探测试验采用中国矿业大学(北京)开发的ZTR12矿用本安型防爆地质雷达，天线的中心频率为100 MHz天线。根据井下的现场作业条件，在常村煤矿皮带顺槽反掘巷侧帮及迎头面布置测线三条，每测线均两测回。具体布置示意图及雷达仪器见图2。

2.3 地质雷达数据采集

该地质雷达仪器须一台主机连接一台天线，才能完成探测工作。大线一端连接主机控制口，另一端连接天线通信口。再分别打开主机和天线的电源开关，即可进行探测。根据探测目标的埋深、形状大小、介质环境特点、目标与环境的电导率与介电常数等电磁特性，进行测线走向、间距的设计，仪器参数的选择。探测现场的纪录是资料解释的基础，现场纪录的要点是把那些可能产生反射干扰的第物都记录下来，注明它们的性质、与测线的距离、位置关系等。根据上述测线布置图，进行雷达数据的采集，其中测量视窗为520 ns。测量数据采集记录表如表1所示。

注：图中虚线线条为地质雷达测线图2 S0-2皮带顺槽反掘巷测线布置示意图

3 数据处理

3.1 数据处理流程

地质雷达干扰信号很多，也很复杂，需要进行多种方法处理，而且处理需要有针对性，才能有效提高信噪比[8-9]。图像处理的一般包括以下步骤：进行零点校正、背景去噪、滤波和增益处理等，其处理流程如图3所示。

表1 数据采集记录表

图3 雷达数据处理流程图

3.2 异常解释的原则

雷达图像的综合解释是探地雷达探测的最终目的，由于煤矿环境复杂，地质雷达受到周围支架环境的干扰严重，目前国内、外地质雷达信号解释均采用时间剖面进行[10-11]。

在实际应用中，由于地下介质的复杂多变，探地雷达的回波信号往往具有时变、非平稳和随机性等特点，因此采用时间剖面和频率剖面复合解释技术，可以有效避免由于非地层对象引起的信号突变现象，从而提高资料解释的准确度。电磁波在遇到破碎区域时产生散射现象，该现象导致时间和频率剖面发生突变。探测区域的地球物理特征是雷达检测成果解释的重要依据，探测区域内各目标物的地球物理特征决定了电磁波在其中传播的的形态，电磁波的反射、折射及透射随不同的传播媒介呈现出不同的的形态，其中，目标物的介电常数是雷达数据解释的重要依据，介电常数差异形成的电磁波反射特征正是煤层与煤矸石、围岩层面及煤层(围岩内部)完整性、结构性变化的主要依据。空洞、围岩富水、积水、围岩扰动等缺陷与水、空气的存在密切相关。

3.3 结果分析

3.3.1 皮带顺槽反掘巷探测结果

根据测线探测结果，结合现场地质情况及相关地质资料绘制以下平面示意图。剖面图(图4)中白色虚线为雷达推测煤/岩性变化带，白色虚线方框区域为雷达推测的破碎带，含弱裂隙水。测线剖面解释结果平面示意图见图4。

图4 8101轨道运输顺槽探测异常分布示意图

3.3.2 皮带顺槽反掘巷左侧帮雷达剖面

根据雷达波信号的同相轴变化和回波能量变化，该测线雷达探测结果显示有三处煤/岩性变化带。深度分别位于探测前方约10～18 m、22～29 m和38～41 m。雷达剖面图5(a)中白色虚线为雷达探测煤/岩性变化带。

3.3.3 皮带顺槽反掘巷左侧帮雷达剖面

根据雷达波信号的同相轴变化和回波能量变化，该测线雷达探测结果显示有二处煤/岩性变化带和二处破碎带。煤/岩性变化带深度分别位于探测前方约21 m和29 m；破碎带范围分别是距离测线起点约30～45 m和85～100 m，深度均约7.5～25 m。雷达剖面图5(b)中白色虚线为雷达探测煤/岩性变化带，白色虚线方框区域为雷达推测的破碎带，含弱裂隙水。

3.3.4 皮带顺槽反掘巷左侧帮雷达剖面

根据雷达波信号的同相轴变化和回波能量变化，该测线雷达探测结果显示有三处煤/岩性变化带。深度分别位于探测前方约22 m、33 m和38 m。雷达剖面图5(c)中白色虚线为雷达探测煤/岩性变化带。

图5 S0-2皮带顺槽反掘巷雷达剖面图

4 结 语

针对目前巷道掘进前方隐伏灾害源探测难题，本文将基于地质雷达方法的煤巷超前地质探测方法应用在潞安集团常村煤矿，从实际工程应用出发，对皮带顺槽反掘巷进行地质雷达超前地质探测。雷达数据解释结果表明：探明反掘巷侧帮及迎头面地质构造情况、确定8个煤/岩性变化带、2个破碎和裂隙水区域的位置和深度。通过掘进及打孔验证，其中的6个煤/岩性变化带、2个破碎和裂隙水区域得到了确认，有效避免了生产中可能出现的事故，对生产具有明显的指导意义。

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Advanced detection application by using geological radar in changcun coal mine

DUAN Yi，XU Xianlei
(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Disaster source in front of the tunnel face can easily cause the coal mine accidents，resulting in a great threat for the safe production in coal mine.It is of important significance for the advance detection to obtain the information of the disaster source and seam anomalies.This paper introduces the advance detection method and principle based on the geological radar，then a detection application case is conducted in the belt trough reverse-driving-lane of the Changcun coal mine，Lu’an Group.The processed data are interpreted by using the complex technology of the time profile and frequency profile，and the results show that：the geological structure of the side and head face in the reverse-driving-lane is acquired，and the location and depth information of the 6 coal-lithology belt change zones and 2 fracture water areas are determined.

mine disasters source；geological radar；advanced detection；data processing

2017-03-06 责任编辑：宋菲

“十二五”国家重大科学仪器设备开发专项项目资助(编号：2012YQ030126)；国家自然科学基金项目资助(编号：41504112)

段毅(1973-)，男，汉族，河南三门峡人，高级工程师，博士后，研究方向为资源安全管理，E-mail：dy371@126.com。

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1004-4051(2017)08-0150-04