矿井探地雷达井下快速超前探测与数据分析.pdf

第3 3 卷 第5 期 物探 化探 计算技术 2 0 1 1 年9 月 文章编号 1 0 0 l 一1 7 4 9 2 0 1 1 0 5 5 3 1 ． _ 0 5 矿 井探地雷达井下快速超前探测与数 据分析 梁庆华 2 1 ． 中南大学信息物理工程学院，湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 煤炭科学研 究总院重庆研 究院，重庆 4 0 0 0 3 7 摘要煤矿井下条件 复杂， 生产进度快 ， 探测掘进面平整度差。为了准确探测矿井掘进工作面 前方地质构造情况， 基于探地雷达反射原理， 介绍探地雷达在 井下工作 实用探 测方式， 探讨 了井 下探地雷达数据处理和波形分析方法， 结合在煤矿井下的应 用试验 ， 分析探地 雷达 实际使用效 果 ， 指导煤矿安全生产。 关键词矿 井；防爆 ； 探地雷达；复杂环境 ； 超前探测 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标识码 A 0 前 言 探地雷达具有高探测分辨率 和高工作效率的 特点 ， 目前已经逐渐成为浅部地球物理勘探的一种 重要手段u j 。与一般的 电法探测技术相 比较 ， 探 地雷达方法的优势在于它能直接识别地下 目的体 ， 不需要特别复杂的理论推演。近年来 ， 煤炭科学研 究总院重庆研究 院生产的 I J HD型防爆探地雷 达， 开始在 多个矿业集 团进行推广应用 J 。煤矿 井下环境复杂 ， 而且存在瓦斯、 水等灾害 ， 探测掘进 面的凹凸不平 ， 以及掘进机和钻孔的影 响等 ， 对于 探地雷达井下探测来说 ， 是一个较大的挑战。 1 基本原理 探 地 雷 达 G r o u n d P e n e t r a t i n g R a d a r ， 简 称 G P R， 又称地质雷达 方法是一种用于确定地下介 质分布的光谱 1 MH z ～1 G H z 电磁技术 。如图 1 所 示 ， 探 地 雷达 利用 发射 天线 T发 射高 频 宽带 电 磁波脉冲 ， 接收天线 R接 收来 自地下介质 的界 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， 将随所通过介质电性的性质和几何 形 态而 变 化 。 因此 ， 根 据 接 收到 波 的旅 行 时 间 双程走时 、 幅度与波形资料 ， 可推断 出介质 的结 构和形态大小 。 T R 图 1 探 地 雷 达 原 理 示 意 图 Fi g． 1 Th e s c he ma t i c d i a g r a m o f GPR pr i n c i p l e 防爆探地雷达探测 目标体的距离定位， 可通过 公式 1 来计算 。 I一 堕 一 1 式 中 Z 为 目标 体离探 测点 的距 离 ； 为 雷 达波 在 介质中的速度； t 为雷达波在介质中的双程走时。 基金 项 目国家重点基础研究发展 计划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 0 ； 国家 自然科 学基金 重点资助 项 目 5 0 5 3 4 0 8 0 ； “ 十一五 ” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 6 B A K 0 3 B 0 1 收稿 日期 2 0 1 l 一 0 2一o 9 改回 日期 2 0 1 1 0 81 5 5 3 2 物探化探计算技术 3 3卷 反射界面深度计算公式近似为 H _ 二 2 式中 日为反射界面深度； 为雷达发射和接收的 间距 ； 为雷达波在介质中的速度； t 为雷达波在介 质中的双程走时。 对于介质为井下煤层而言， 雷达波在煤层中的 速度 ， 可以根据式 3 求 出。 口 3 一 万 式中 ／ 3 为雷达波在煤层 中传播的速度； C 为光在 真空中的传播速度 c 3 X 1 0 。 m ／ s ； 为雷达波 在煤层 中传播的相对介电常数。 煤 的相对介 电常数变化不大 ， 从褐煤 到无 烟 煤 ， 为2 ． 3～ 3 ． 6 l 5 】 ， 则电磁波在煤层中传播速度 为 0 ． 1 5 m ／ n s一 0 ． 1 9 m ／ n s 。在 没有 已知资料 的 情况下 ， 一般取 2 ， 为 0 ． 1 8 m ／ n s ， 也可通过其它方法 进行测定 J 。 2 煤矿井下巷道掘进面探测工艺 在煤矿巷道掘进头超前探测时 ， 在巷道掘进面 上架设发射天线和接收天线 ， 在掘进面上同时发射 脉冲信号和接收反射回来的脉冲信号 ， 然后根据 回 波信号走时来计算异常体界面的距离和位置 ， 如图 2所示 。 目前 ， 由于井下的掘进面比较狭小， 雷达天线 频率大多选择 1 0 0 MH z ， 天线间距一般在 1 m。经 过大量的井下数据采集工作经验 ， 获得了如下探地 雷达井下探测实用工艺。 1 选址 选择要探测的 目标体。选址要注意 探测巷道尽量保证平缓 ， 在探测巷道周围尽量做到 无铁块、 无电缆线、 无锚杆等异常体。 2 清理覆煤 利用工具对探测 目标体覆煤进 行清理 ， 以利于天线平行放置 ， 且与探测面紧贴。 3 布置测线 在选定 的掘进 面布置测线， 既 能探测到 目标体 ， 又能利于天线移动操作。用测量 尺标好探测距离 ， 一般采用 同一条测线从左往右、 从右往左不 同的方式， 以利于探测结果相互印证。 4 工作方法选择 根据探测 目标体的实际情 况， 选择共中心点法、 反射法等方法。井下实际采 用大多选择反射法 ， 在探测时可 以采用从左到右、 从右到左、 从上到下、 从下到上等不同形式， 保证探 测 目标体在测线范围内。 5 采集 数据 探测一般需要 四个人员， 其中 二个探测人员负责天线的移动与平行 ， 一个探测人 员操作仪器， 一个探测人员负责测线布置与指挥。 在探测时 ， 要注意天线的贴紧与平行。在数据采集 时 ， 天线移动步距要小， 一般移动 0 ． 1 m采集一次 ； 在天线贴紧不动时方可采集。 6 数据回放 数据回放以确定采集工作 已存 盘。同时 ， 针对异常体的异常 回波， 对异常体采取 加密采集 。 7 采集结束 在采集结束 时， 存盘 ， 关机， 收 拾仪器 ， 放 回仪器箱， 设备清点无误后方可离开。 由于井下覆煤较多， 容易造成一些小仪器件的丢 失， 因此下井要备用一个袋子专门装小的仪器件。 为保证探地雷达在井下安全地实施探测工作 ， 保证探测质量 ， 除了按照 煤矿安全规程 有关规 定执行 ， 还要采取 以下安全技术措施。 1 下井前充分 了解需探测地点 的各方面情 况 ， 以保证地质超前探测的顺利进行。 _ - _ - 巷遭顶杖 ⋯ __ 一 一一 一一 ～ 一 ⋯⋯一一 _ - 一 接收机 I 巷道掘进 面 l { 发 射 机I j U ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯ ___l _ l l 一一 二 二 二 二 二 二 一 一 一 一一 二 一 - - 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 蔓 j _ 二 - 二 ． j巷道底板 『 _ 一 一一 一一 一 二 - -二 一 __ _ _ _ _ __ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ _ 1_ _ ⋯ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图 2 煤矿巷道掘进头雷达超前探测示意图 F i g ． 2 Th e a dv a nc i n g d e t e c t i o n r a d a r d i a g r a m o f t h e mi n e t u n ne l h e a d i n g 5期 梁庆华 矿井探地雷达井下快速超前探测与数据分析 5 3 3 2 到探测地点后 ， 由安全员检查掘进面支护 情况 ， 由瓦检员检查掘进面瓦斯情 况， 并将检查结 果向现场负责人汇报。在确定瓦斯浓度不超标 ， 顶 板支护安全 的情况下 ， 方可进行探测 。 3 探测掘进面需通风 良好。若发 现工作 面 存在通风不 良等隐患， 必须首先处 理， 达到要求后 方可开展探测工作。 4 在探 测时 ， 探测 区域要停 止煤层 掘进 ， 顶 板支护等项工作。 3 井下数据采集处理方法 防爆探地雷达主要针对煤矿井下应用 ， 现场需 要快速 、 简便的数据处理方法 ， 因此相对 简单 、 实 用、 有效的数据处理手段 ， 是矿井 防爆探地雷达 的 最好选择。 雷达波形的处理 ， 主要是设置增益。增益的设 置是放大深部信息的信号 ， 使它们能和浅部的信息 一 起显示出来 ， 便于技术人员识别和解释。经过大 量的试验验证资料 ， 防爆探地雷达一般采用 自动增 益 A G C 来处理数据 ， 具体数学公式见式 4 。 W ￡ W G ￡ 4 其中 ￡ 为使 用 自动增益 后 的雷达 波形 记 录； W 为原始雷达波形记录 ； G t 为动态增益 参数因子。 采用 自动增益技术 ， 将深部弱小信号的能量强 度 ， 放大到和浅部的强大信号同一个数量级 ， 从而 平衡不同深度的雷达信号， 得到一个整体的信息对 比。其中， 动态增益参数 因子由软件 自动计算 ， 不 需要人工参与计算 ， 该方法操作 比较简单 ， 便于推 广应 用 。 4 井下雷达数据分析技术 作者经过大量的实践经验总结认为， 井下雷达 波形的分析主要看波形 明显 的回波异常区域和明 显 的波形分界线。基于此 ， 井下雷达分析方法可以 分为波形明显的回波异常分析法和波形 明显的分 界线法。对于一些掘进面不平等造成的干扰因素， 分析时要注意剔除。 4 ． 1 波形明显的回波异常分析法 由岩体物性差异造成 的波形 明显的异常 回波 是雷达波分析的基础 ， 几乎大部份 的探测异常都是 通过这种方法分析得出的。这种方法在矿井 雷达 数据分析中也经常被采用。但在使用时， 要注意一 些干扰 因素 的影响， 有时候对于一些非常小的断层 造成的异常 回波分析困难 ， 尤其是断距在 1 m以下 的断层 ， 影响更为明显。 图 3～图 5 见下页 为探测 实例 。仪器采用 I J HD防爆型探地雷达 ， 天线频率1 0 0 MH z ， 采样 时窗8 0 0 n s ， 天线间距 1 i3 “1 ， 采集方式采用反射法 ， 电磁波在煤层 中的波速设为 0 ． 1 8 m ／ n s 。 由图 3～图5明显看出， 雷达分析方法反射 回 波均存在明显的反射异常区域。 图 3中， 1 7 m异常区域明显出现断痕 。 图4中， 在 5 m处波形 明显发生变化 ， 波形的 条幅由细变粗； 图 5中， 在 l 6 ． 5 m处明显产生 了一条粗且黑 的反射波。 这三个例子均存在明显的反射异常回波， 这种 实例在矿井中比较常见 。波形 明显的 回波异常分 析法 ， 在矿井中也常被用到。但有时前方煤体破碎 也会造成一定的干扰 ， 所以需要进行仔细的分析判 断 。 4 ． 2 波 形明显 的分 界线 法 由于深部信号 比较微弱 ， 若是遇到小的构造 ， 必然造成信号衰减的异常 ， 形成的探测图形就会有 明显的衰减界线 ， 在分界 线 以上浅部雷达 回波完 整 ， 波形 比较正常 ； 在分界线以下深部雷达 回波基 De p t h m， o ． 1 8 0m／ n s O l 0 2 0 3 0 4 0 2． 5 2． 0一 旦 1 ． 5 d ．呈 1 ． 0 0． 5 0． 0 75 0 75 1 5 O 22 5 3 0 0 3 75 4 50 T i me n s 图 3 紫金 矿 3 2 0 4工作 面切眼超前 雷达探 测成果 图 1 7 m 断层 F i g ． 3 T h e a d v a n c i n g r a d a r d e t e c t i o n r e s u l t s m a p o f 3 2 0 4 m i n i n g f a c e c u t i n Z i j i n m i n e 1 7 m f a u l t s 5 3 4 物探化探计算技术 3 3卷 De p t h m， V 0 ． 1 2 0m／ n s 5 l 0 1 5 20 2． 5 2 ．0莒 一 1 ．5 g 兽 1 ．0答 a一 0． 5 0 ． 0 _7 5 0 7 5 1 5 0 2 2 5 3 0 0 3 7 5 4 5 0 Time n s 图 4 新 阳矿六采 3 煤集 中轨道巷雷达探 测成果图 5 m处进入 陷落柱边界 F i g ． 4 T h e r a d a r d e t e c t i o n r e s u l t s ma p o f 3 群c o a l c o n c e n t mt e d t r a c k t u n n e l i n Xi n y a n g mi n e s i x mi n i n g a r e a f 5 m f a l l i n t o t h e b o r d e r o f C o l u m n De p th V0 ． 1 2 0 m ， Il s 5 1 0 1 5 2 0 2 ． 5 2． 0 1 ．5 1 ．0 0． 5 O 0 7 5 0 7 5 1 5 0 2 2 5 3 0 0 3 7 5 4 5 0 Time n s 图 5 紫金矿一采 区轨道上山雷达探测成果 图 1 6 ． 5 m采空 区 F i g ． 5 r h e r a d a r d e t e c t i o n r e s u l t s ma p o f u p h i l l t u n n e l i n o n e m i n i n g a r e a o f Z i j i n m i n e 1 6 ． 5 m g o b De p th m， V0 ． 1 2 0 m／ n s 1 0 1 5 2 0 1 ． 5 一 旦 1 ．0 g ．； 子 0 ． 5 0． 0 ．7 5 0 7 5 1 5 0 2 2 5 3 0 0 3 7 5 4 5 0 T i me n s 图 6 新 阳矿六采 3 煤集中轨道巷雷达探测成果 图 1 0 ． 9 m 陷落柱边界 F i g ． 6 Th e r a d a r d e t e c t i o n r e s u l t s ma p o f 3c o a l c o n c e n t r a t e d t r a c k t u n ne l i n Xi n y a n g mi n e s i x mi n i ng a r e a 1 0 ． 9 m f a l l c o l u mn b o u n d a r y 本看不到， 形成一片无回波区域。对这样的界面分 析 时 ， 就要 注意异 常的存在 可能性 。 一 般 正 常 的雷 达 回波 在 煤 层 中穿 透 距 离 约 2 0 m～ 3 0 m左 右， 而界面在 20 m 以前， 则可以推 断存在一定的构造异常或者破碎带。 图 6～图 8为探 测 实 例 。仪器 设 置 同 4 ． 1中 所 设 。以上 图 6 、 图 7及 图 8均 有 分界 线形 成 的异 常。这种分析方法要注意地质条件 1 在相同的地质条件和探测条件下 ， 雷达波 明显传播距离短 ， 可以推断存在地质异常。 2 但在掘进面影响因素较大时 例如存在较 大的凹凸不平 ， 存在大 的钻孔等情况 ， 要谨慎分 析 。 5 结论 和展望 1 由于受到煤矿井下环境 的制约， 井下探地 雷达探测要采取一定的安全措施 ， 探测时尽量多布 置几条测线 ， 以便相互印证。 2 井下雷达探测数据处理 ， 一般采用 自动增 一 詹一 Il 0 譬协 。 5期 梁庆华 矿井探地 雷达井下快速超前探测与数据分析 5 3 5 De p t h m． V 0 ． 1 8 Om ／ n s 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 1 5 0 2 2 5 3 0 0 3 7 5 4 5 0 T i me n s 1 5 一 旦 1 ．0 g 蔓 君 0． 5 O． O 图 7 紫金矿西翼回风巷侧帮 雷达探测成果 图 2 3 m保安煤柱边界 F i g ． 7 T h e r a d a r d e t e c t i o n r e s u l t s ma p o f r e t u r n a i r t u n n e l s i d e i n w e s t o f Z ij i n m i n e 2 3 m b o r d e r s e c u r i t y p i l l a r De p t h m， 0 1 8 0m／ n s 0 5 l 0 l 5 2O 2 5 0 7 5 1 5 O 2 2 5 3 0 0 Time r n s 2． 5 2 O g 一 1 ． 5皇 1 ． 0 0． 5 O ．O 图 8 河 东矿四采 区轨道巷雷达探测成果 图 2 3 m断层 F i g ． 8 T h e r a d a r d e t e c t i o n r e s u l t s m a p o f t r a c k t u n n e l i n f o u r mi n i n g a r e a o f H e d o n g mi n e 2 3 m f a u l t 益 A G C来处理， 能简单 、 快速 、 方便地进行数据处 理工作 ， 较好地反映了地质信息 。 3 井下雷达波形异常分析 ， 主要采用波形明 显的回波异常分析法和波形明显 的分界线法。这 两种方法基本能解决井下雷达数据分析异常问题 。 防爆探地雷达技术作为一种新型的近距离矿 井物探技术 ， 其优点和缺点都特别 明显 。优点是井 下施工快速 ， 探测时间一般在 1 0 m i n左右 ， 基本 不 影响生产 ； 缺点是 探测距离较短 ， 一般在 3 0 m～ 5 0 m范围内。通过广大科技人员在实践中不断地 完善和发展 ， 提升优点 ， 克服缺点 ， 使矿井探地雷达 将会为更多的煤矿服务 ， 取得更大的成就。 参考文献 [ 1 ] 宋劲， 吴燕清， 胡运兵 ， 等． 探地雷达在煤巷超前探测 中的应用[ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 7 2 3 7 ． [ 2 ] 宋劲． 探地雷达煤矿井下探测技术的研究[ D] ． 北京 煤炭科学研究总院， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 邓春为 ， 李大洪．地质雷达资料解释方法综述 [ J ] ． 矿业安 全与环保 ， 2 0 0 4 6 2 3 ． [ 4 ] 王连成 ．地质雷达在 工程地 质和煤矿 生产 中的应用 [ J ] ．山东矿业学院学报 自然科学版， 1 9 9 9 1 1 7 ． [ 5 ] 高克德， 王连成．地质雷达探测隧道掘进前方充水和 瓦斯构造[ J ] ．公路，1 9 9 4 9 4 4 ． [ 6 ] 王连成 ．地质雷达的探测实践[ J ] ．西安矿业学 院学 报 ， 1 9 9 9 4 3 1 8 ． [ 7 ] 王连成，高克德， 李大洪， 等．地质雷达探测掘进工 作面前方瓦斯突出构造[ J ] ．煤炭科学技术，1 9 9 7 1 1 l 3 ． [ 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