低频地质雷达在井下地质构造探测中的应用

＊杨乐宇

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司高阳煤矿 山西 032302）

引言

我国煤炭资源十分丰富且地域分布辽阔，同时煤炭作为我国社会主义现代化经济建设的主要能源之一，在我国的经济建设与人民日常生活中都有着十分重要的作用，因此对煤炭资源的高效、安全开采显得异常重要。煤炭开采时受断层、陷落柱等地质构造影响[1]极大，工作面中若存在断层、陷落柱不仅会影响煤矿的正常生产、降低煤炭矿井开采的利用率及回收率，而且会威胁煤矿的安全生产，甚至会给国家和人民带来极为惨重的人身伤亡和经济损失。例如，矿井水灾、瓦斯事故以及采煤沉陷等都与断层、陷落柱等地质构造发育有着紧密的联系，主要体现如下：（1）断层、陷落柱是导致出水事故的关键，很多的灾害性突水都是源于断层导水；（2）断层、陷落柱等地质构造发育区域会造成瓦斯富集，在高瓦斯或瓦斯突出矿井，断层、陷落柱等地质构造发育带发生煤与瓦斯突出事故的概率较高，其危险程度又与地质构造发育的复杂程度关系较密切。综上所述，采用新方法对煤层中断层、陷落柱等地质构造进行高精度探测已经迫在眉睫。

目前在矿井生产过程中对巷道前方及侧帮的地质异常预测预报仍然以钻探为主，但钻探效率低，且钻探为一孔之见，成本高，故仅利用钻探进行地质构造探测已经不能满足现代化矿井安全生产的需要。因此，急需引进一些高效、快捷、精确的地质构造探测方法，根据预报方法的探测成果适当布设针对性强的地质构造钻孔，通过新方法的探测结果与钻孔探测结果相互分析、相互验证，从而使最终预报结果更加客观准确，提高掘进工效，降低巷道在掘进过程中的成本，保障安全生产[2]。当前井下勘探常用的方法主要有：（1）矿用震波类技术方法，主要包括：矿用反射波技术方法、槽波技术方法、瑞利波技术方法、地震波CT成像技术方法、微地震技术方法；（2）矿用电磁波技术方法，包括：矿用并行电法技术方法、矿用高密度技术方法、矿用瞬变电磁技术方法、矿用地质雷达技术方法、矿用音频电透视技术方法等。地质雷达已经广泛应用于探测断层、陷落柱等地质构造。传统雷达方法探测距离有限，一般探测几米到二十几米左右，很难满足井下探测断层等地质构造的技术要求。而低频地质雷达是通过降低雷达天线频率，有效提高了探测距离，例如，50MHz天线的低频地质雷达有效探测距离可以达到60m左右。本文通过在31116材料巷使用低频地质雷达对断层的实际探测，并结合钻探与实际揭露资料综合分析，得出低频地质雷达对断层精细探测的有效性。

1.技术方法

(1)原理

低频地质雷达[3]探测煤矿井下断层[4]、陷落柱等地质构造，是通过雷达天线向巷道掘进工作面或巷道侧帮发射脉冲雷达波，并接收因被测介质电性差异产生的反射回波实现。由于井下断层、陷落柱等构造会引起雷达波产生反射、绕射和散射等异常响应，并造成回波频率、相位和振幅的改变，故采用地质雷达对井下掘进巷道及侧帮构造探测具有良好的地球物理基础。含煤地层中一般煤的相对ε（介电常数，以下同）位于2.3～3.6之间，煤系地层中岩石的相对ε一般位于4～9之间，空气的相对ε大约为1，水的ε为81左右。井下地质环境中，煤层介质和非煤层介质之间存在ε差异，这是低频地质雷达探测煤层中的非煤层异常体的地球物理基础，也为解决井下地质构造类地质问题提供了理论依据。

低频地质雷达现场探测前需根据探测时天线移动速度和系统配置设定采样间隔，探测时需将地质雷达的天线平面与被测面紧贴，保证天线耦合质量，之后天线匀速、连续移动，保证地质雷达系统能够完成记录每个测点电磁波的时间与振幅剖面，并形成连续的地质雷达电磁波剖面。低频地质雷达探测资料解释时电磁波速度是一个关键技术参数，当煤系地层中不同介质的电磁波速度已知时，根据距离等于速度乘以时间，反射双程时间再换算成单程时间，即可以得到探测位置至反射波异常位置的距离。图1为低频地质雷达探测原理示意图。

图1 低频地质雷达探测原理示意图

(2)仪器设备

低频地质雷达由主机和天线两部分组成，图2为ZTR-12本安型防爆地质雷达系统，配备中心频率为50MHz的雷达天线。

图2 为低频地质雷达探测原理示意图

ZTR-12本安型防爆地质雷达系统的技术参数如下：

主机：

①本质安全型、防爆；

②主机内置采集软件，开机自动运行；

③Windows界面，中文菜单；

④A/D转换：16位；

⑤扫描速度：50kHz；

⑥系统功耗：15W；

⑦测量时窗：6～3500ns；

⑧叠加次数1～4096次。

50MHz天线：

①中心频率：50MHz；

②类型：半屏蔽式防爆分体式天线；

③理论最大探深：60m；

④尺寸：225cm×70cm×50cm；

⑤适用范围：煤矿工作面前方、顶底板及侧帮的地质构造探测等。

2.应用实例

(1)测区地质概况

31116工作面地面位置位于下卫底村东北约160m，紧邻西曹村西南面。地面黄土覆盖，冲沟发育。该工作面南邻31114工作面，西部为三采区大巷，北为四采区，东为三采区采区边界。31116材料巷开采太原组9-10-11#煤，煤层最小厚7.8m，最大厚8.5m，平均8.2m，煤层结构1.8(0.15)3.36(0.09)2.8。煤岩层倾角平均为8°。煤种为瘦煤，稳定可采。31116工作面煤岩层基本为单斜构造区，产状为走向北西，倾向北东；断层、陷落柱主要分布在31116材料巷及切眼附近。

(2)数据采集

采用低频地质雷达对31116工作面材料巷A20点后210m至390m处侧帮进行雷达探测，根据探测目的和现场情况对系统参数进行设置，共采集文件2个。本次探测低频地质雷达采用的主要技术参数为：①雷达天线频率：50MHz；②单道采样点数：2048；③扫描频率：0.025Hz；④相对ε：7；⑤工作方法：点测；⑥采样间隔：180ns。

(3)数据处理

低频地质雷达数据处理工作主要使用GR雷达处理分析系统软件，数据处理的核心工作步骤如下：

①距离归一化：数据处理时进行距离归一化处理的主要目的是为了消除低频地质雷达在现场实测时，因天线移动速度、距离差异导致的固定时间间隔内记录数据道数不一致做的数据处理工作。处理时采用数据标记功能计算出雷达天线实际移动的距离，具体标记为1点/m。标记之后，处理时根据1m距离范围内电磁波道数进行统一，即选定一个标准数，然后在每1m测线范围内插入或删减一些电磁波数据道，达到每1m范围内电磁波数量一致的效果。

②波速确定：低频地质雷达根据反射电磁波勘探原理，反射电磁波在地质雷达剖面上显示的双程道时，需要用记录反射电磁波时间与波速来确定反射界面的位置，因此波速确定的准确性关系到探测结果的准确度。同时也需要在实际探测中不断的积累与修正，以提高探测结果的精度。

③滤波

低频地质雷达数据处理中对电磁波滤波处理也是一项很重要的工作，因为探测环境及施工耦合差异等因素影响，仪器系统采集到的电磁波有很多干扰波在里面，滤波的主要作用就是压制干扰电磁波，增强有效电磁波，从而达到去干扰、提高信号信噪比的效果。低频地质雷达数据处理中的滤波主要分为水文滤波和垂直滤波。

水平滤波是低频地质雷达记录的电磁波信号中水平波比较发育的。水平波主要产生于仪器自身，主要来自于仪器系统内的控制器、数据线以及雷达天线的相互作用且很难消除。低频地质雷达的水平波具有明显的特点，主要体现在其发育的时间具有相等性，因此水平滤波就以水平波的这一明显特征为基础采区的有效算法进行消除。水平滤波是将相邻的一定数量电磁波振幅值求平均，然后再与个别道进行对比，以此来消除或压制水平波。水平滤波中选取的电磁波道数越大，效果越差，选取的电磁波道数越小，效果越好。同时，在进行水平滤波时，要根据不同的探测环境进行试验、调参，经过多次验证与修正滤波参数，才能取得最佳效果。

垂直滤波主要消除探测环境中产生的干扰波，常用的滤波方法有带通、高通、低通滤波以及小波变换等。地质雷达数据垂直滤波时，为了区分不同发育条件的地质异常体，需选取不同的频带。垂直滤波是一种数学变换方法，会造成一定程度的信号失真，滤波时选取的频带越窄，失真程度越大，应用中要认真选取方法和参数，根据探掘、探采结果不断调整与修正。

(4)资料解释

对雷达数据进行处理，结合现场探测情况及处理解释剖面可得出如下结果：

①在探测点10～38m即A20点后220～248m处有明显雷达波反射能量较强且同相轴发生明显错断区域。根据现场施工环境，探测位置位于全煤。结合现场施工环境、雷达解释剖面和矿方地质资料综合分析，推测探测区域内异常区域为煤岩层变化或破碎影响。

②在探测点95～132m即A20点后305～342m处有明显雷达波反射能量较强且同相轴发生明显错断区域。根据现场施工环境，探测位置位于全煤。结合现场施工环境、雷达解释剖面和矿方地质资料综合分析，推测探测区域内异常区域为煤岩层变化或破碎影响。

③在探测点0～130m即A20点后210～340m处，深度30m有明显雷达波反射能量较强且同相轴发生明显错断区域。根据现场施工环境，探测位置位于全煤。结合现场施工环境、雷达解释剖面和矿方地质资料综合分析，推测探测区域内异常区域为煤岩层变化或破碎影响。

④在探测点130～180m即A20点后340～390m处，深度35m有明显雷达波反射能量较强且同相轴发生明显错断区域。根据现场施工环境，探测位置位于全煤。结合现场施工环境、雷达解释剖面和矿方地质资料综合分析，推测探测区域内异常区域为煤岩层变化或破碎影响。

(5)验证结果

通过对探测位置进行钻探验证，合计施工钻孔30个，可得验证结果如下：

①工作面内距探测位置约35m揭露异常分析为一落差约5m断层；

②工作面内距探测位置16～54m揭露异常分析为陷落柱；

③工作面A20点后210～300m处距探测位置32～45m揭露异常分析为一落差约5m断层；工作面A20点后300～340m处距探测位置16～45m揭露异常分析为一陷落柱；

④工作面内距探测位置15～58m揭露异常分析为一陷落柱。

经过探钻对比分析，低频地质雷达可对陷落柱、断层等地质构造进行有效探测，探测结果与验证结果基本一致。

3.结论

通过分析低频地质雷达技术的介绍，对煤矿陷落柱、断层等地质构造探测的应用实例，说明了低频地质雷达对陷落柱、断层等地质构造的探测的有效性，采用理论分析与实际应用综合对比的方法，得出如下结论：

①陷落柱、断层等地质构造作为影响煤矿安全生产的隐患，需要对其进行有效探测。

②低频地质雷达作为一种有效探测陷落柱、断层等地质构造的物探方法，具有高效率、高精度、高便携性的技术优点。

③井下低频地质雷达探测系统虽然提高了探测深度，达到60m左右，但是仍然需继续提高探测深度，以更好地应用于煤矿地质构造类探测。