探地雷达在巷道掘进超前探测中的应用.pdf

2 0 0 5年 8月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 2卷第4 期 探地雷达在巷道掘进 超前探测中的应用 李文俊 ， 汪高举 ， 贺英魁 ， 邓春为 1 ． 中铁十一局， 重庆 4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 四川华蓥山龙滩煤 电有限责任公 司， 四川 广安 6 3 8 0 2 0 ； 3 ． 重庆工程职业技术学院， 重庆 4 0 0 0 3 7 ； 4 ． 煤炭科学研究总院重庆分院， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘 要 介绍 了探地 雷达在巷道掘进过程 中跟踪超前探 测的应用情况 ， 说 明 了用探地 雷达方法来超 前探测掘进 前方地质状况 ， 指导现场施工是准确 可行 的， 为预测预报掘 进 头前方 不明地质情况 ， 指 导施 工提供 了一种有效手段。 关键 词 探地雷达 ； 电磁波 ； 超前探 测； 预报 中图分类号 T D 6 7 9 文献标识码 C 文章编号 1 0 0 84 4 9 5 2 0 0 5 0 40 0 4 40 3 龙滩煤矿是广能集团在建的年产 9 0 万 t 大型矿 井， 平硐位于广安市小井乡， 设计长度 5 0 0 0余米。 斜井位于其东南方桂兴镇的龙滩 ， 进风斜井和回风 斜井 中心问距 为 3 1 ． 7 0 6 m， 净 间距 为 2 7 ． 9 0 6 m， 井 口 标高均为 7 2 5 m， 斜井坡度均为 2 5 o 。回风斜井掘 进 1 5 6 ． 1 m时开始进入陷落柱中， 掘至 1 6 9 ． 6 m时， 进风斜井掘至里程 K 02 9 6 m时发 生突水事 故 ， 先 是从 巷道底板有 少量的 水涌 出 ， 放炮 后涌 水量增 大 至 3 l r n 3 ／ h 。当排干后在位于碛头右帮腰线 以上 0 ． 5 m处打钻 眼深 1 ． 6 m处发生 卡钻 ， 高压力水 从钻 眼 喷出达 1 0m远 ， 同时在距 碛头底板 2～3 m巷道底板 裂隙有承压水喷出， 涌水量达 8 3 In 3 ／ h ， 水位迅速上 升淹没巷道长 1 0 0 m， 最后水位稳定 在 6 4 2 ． 8 9 4 m。 为查清碛头前方充水情况及其与回风斜井陷落柱的 关系， 采用 K D L 一 3型矿井地质雷达对龙滩煤矿进、 回风斜井进行探测 。搞清 了在此处 有一条走 向北东 东 8 7 。 至南南西 2 6 7 。 ， 平面分布与斜井走向约呈 2 8 。 夹角的平移大断层 ， 其下部 因岩溶而发育形成了暗 河， 回风斜井见到的陷落柱就与暗河相通。后虽经 几次变更设计， 但由于地质勘探时期未能查明这条 隐伏平移大断层及暗河， 巷道又是在常年潜水位之 下 、 溶洞暗河位置之上施 工 ， 再加上此处岩溶裂 隙发 育 ， 使得在变更设计后 ， 为避开岩溶裂隙及溶洞 暗河 水的影响 ， 在寻找变坡 位置 以及平巷 施工过 程 中多 次遇到涌水， 无法进行正常施工 ， 于是采用 S I R一 收稿 日期 2 0 0 5 0 3 1 8 作者简介 李文 俊 1 9 6 3一 ， 男， 四川夹江人， 高级工程 师， 1 9 8 5年毕业干石家庄铁道学院， 曾获中铁建科技进步特等 奖 1项。 44 1 0 H型探地雷达进行跟踪超前探测 ， 指 导施 工 ， 以便 安全地穿过此段岩溶含水区域。 1 探地雷达 系统的组成及超前探测机理 S I R一1 0 H型探 地雷达 系统是 由美 国 G S S I 公 司 生产的系列探地 雷达 系统 的一种 ， 是 目前 世界 上较 为先进 的探地 雷 达 系统 ， 该 系统 具 有 多通 道 、 多天 线 、 扫描 快 、 实时显示 、 图像 直观 、 低噪声等 优点 ， 既 可连续探测 ， 也可点测 ， 具有先进 的信号放大与滤波 功能， 采集信号直接存入硬盘或通过接 口存入外接 设备。该系统 还配 备有强 大 的后 期资 料处理 软件 ， 使资料处理解 释更方便 、 快捷 、 准确 ⋯。 该系统可分硬件和软件两大部分 。硬件是 由天 线 包含发射 、 接收 两个天线 或发 射 、 接收一体 化天 线以及发射器和接收器 、 主机 中心控制器 、 3 0 e m 1 2英寸 高分辨率 L C D显示器 、 外接键盘 、 电源 、 各 种连接 电缆及测量轮和打标器等组成 。软件包 括在 数据采集过程 中的系统 主机控制操作软件 以及后期 资料处理软件 。 探地 雷达超前探测 原理 见 图 1 是以地下 介质 中电性差异为基 础的 电磁波 反射方 法 ， 当发射器通 过发射天线 向碛 头前方 定 向发 射 电磁 波 ， 入射 电磁 波能量向前辐射传播 ， 一旦遇到有 电性差异 介 质的 介电常数和电阻率不同 的界面 如裂隙 、 断层 、 空洞 等 ， 能量不仅在 界面上 发生 折射 ， 还会 在界 面上发 生反射 。界面的反 射系数 R Z。 一Z ／ Z ， z 2 反映出界面对 电磁波能量 的反射能力 式 中 z 。 为介 质 e 。 的波阻抗 ， z 为介质 e 的波阻抗 。 反射界面距 碛头的距离可以通过公式 Hc t ／ 2 ／ e 算出 式 中 c为光速 ， e ， 为介质的相对介 电常数 ， t 为在雷达 维普资讯 2 0 0 5 年8月 矿 业安 全 与 环 保 第3 2 卷第4 期 记录中界面的反射波双向传播时间 引 。 图 1 探地雷达超前探测原理图 2 超前探测实际应用 2 ． 1 测线布置 超前探测的巷道是在灰岩平巷 中进行， 巷道宽 4 m、 高 3 m左右， 由于设计的平巷下方有断层形成 的暗河穿过， 掘进施工又是在地下潜水位以下， 因此 要保证掘进施工 的安全 ， 就必须搞清楚巷道前方及 周边的岩溶裂隙及含水情况 ， 特别是可能和地下暗 河相导通的岩溶含水裂隙及溶洞。于是从平巷里程 K 0 5 4 3 ． 6 6 m第一次跟踪超前探测开始 ， 共计超前 探测巷道有 7 0 m左右 ， 为施工掘进提供了准确的前 方及周边地质情况。每次进行超前探测时， 一般在 工作面碛头横方 向上 布置 2条连续测线 ， 测线 间距 为 1 m ， 下面的 1 条测线距地面约 1 m左右； 垂直方 向上布置 3 条连续测线 ， 分别布置在碛头 中心及左 右两侧 ， 间距也为 1 m； 沿巷道方 向分别在左右两帮 各布置 1 条连续测线， 测线距巷道底板高度为 1 m； 有条件的情况下还在巷道底板布置 1 ～ 2条连续测 线来探测底板地质情况； 巷道顶板 因无法进行探测 操作， 而没有布置雷达探测线。 2 ． 2 天线频率选用及 工作过程 根据仪器特点及现场实际情况 ， 在本次超前探 测过程 中选用 了 4 0 0 M H z 和 1 0 0 M H z 两种频率天 线。在本次超前探测过程 中， 4 0 0 M H z 频率 天线探 测深度最大可达到 1 5 m， 而 1 0 0 M H z 频率天线探测 深度最大可达 3 0 m， 这样就使得本次超前探测既可 以满足一定的探测距离要求 ， 又可 以有较高的探测 精度。在探测资料处理解释过程 中， 远距离的探测 结果以 1 0 0 M H z 频率天线探测结果为准， 而近距离 的探测结果则以 4 0 0 M H z 频率天线探测结果为准。 在整个超前探测过程 中， S I R一1 0 H型探地雷达 仪在系统主机的控制下， 发射器通过天线向前方定 向发射超高频电磁波， 当向前传播 的电磁波遇到有 电性差异的界面 本次遇到的为张性岩溶裂 隙和断 层岩溶裂隙 即发生强烈反射 ， 反射波与直达波一起 被接收器接收并被传人主机进行数字化处理。主机 通过对直达波和不 同距 离返回的反射 回波进行放 大 、 滤波、 数字迭加等一系列处理后 ， 在显示器上实 时显示一种类似于地震反射时间剖面的雷达连续探 测彩色 灰度 剖面。该剖面的横坐标表示沿测线方 向的里程距离， 单位为 m， 代表实时测点位置 ； 纵坐 标代表时间 n s 或深度 m ， 表示每条扫描取样反 射曲线上各个反射波往返旅行时间或所代表的 目标 深度。沿测线随着里程 的不断增加， 各条反射曲线 的反射 强度 按彩 色或 灰度显 示 便构 成探 测数 据 剖面。 在室内资料整理时， 首先进行数据处理 ， 然后根 据反射 回波的形态 、 反射强度及其在连续剖面上变 化情况 ， 判别反射 目标性质， 再根据反射 回波的时间 和电磁波在传播介质中的传播速度来计算 目标的深 度及大小， 最后将这些信息绘成成果图， 提供资料， 指导施工 。 2 ． 3 超前探测 结果 采用探地雷达跟踪超前探测了 7 0 m左右， 每次 探测完成后 ， 在现场给出探测前方的初步情况， 上井 后进行室内资料整理 ， 给出书面超前探测预报报告， 预测预报掘进前方及周边地质情况。在本次超前探 测中， 准确探测出掘进前方及巷道周边的岩溶含水 裂隙， 很好地指导了施工。 图 2 所示为本次在里程 K 05 4 3 ． 6 6 m碛头第 一 次超前探测时， 发现在掘进巷道碛头前方 2 ～3 m 有一条与巷道掘进方向近垂直 ， 高角度的张性岩溶 含水裂隙， 裂隙含水不多， 与地下水联系不畅 ， 对巷 道掘 进施 工影 响不 大。 图 2 里程 K 0 5 4 3 ． 6 6 m碛头超前探测岩溶含 水裂隙雷达数据剖面 图 3 所示 的为本次探测发现发育于巷道右侧 ， 一 条较宽 约 O ． 2 ～ O ． 6 m j ff _． 直立的断层岩溶含水裂 隙， 随后在巷道向碛头前方超前探测时也发现同时 存在 ， 其走向与巷道约呈 2 8 。 夹角， 随着巷道向前掘 进这条裂隙离巷道将越来越近， 最终 与巷道将相交 45 { 蜷一 嚣 维普资讯 2 0 0 5耳8月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 2 卷第4 期 于 K 0 5 7 0 ． 6 6 m左右。探测时发现这条岩溶裂隙 含水丰富， 与下方暗河和地下水之间相通 ， 这会给巷 道掘进造成很大影响， 后来由于大降雨 ， 地下水位突 然升高， 造成这条断层岩溶含水裂 隙与巷道相交处 涌水 就说 明 了这点 。 图 3 巷道右帮探测断层岩溶含水裂隙的一段雷达数据剖面 穿过这条岩溶裂隙后 ， 巷道继续 向前掘进 ， 与巷 道相交的断层岩溶裂隙便偏移到巷道左帮， 并且随 巷道向前掘进距离巷道将越来越远 ， 离现碛头位置 K 0 6 1 2 ． 6 7 m岩溶裂隙与巷道相距 已达 1 3 m左右。 同时在碛头超前探测时也只发现在距碛头 1 2 ． 5 m 处有一条发育不大的岩溶裂 隙， 且其与在巷道底板 探测到的一条岩溶裂 隙相通 ， 应为一条与暗河有水 力联系的顺层发育的岩溶裂 隙， 除此之外在碛头前 方 3 0 m范围内未再发现其它含水裂隙 见图4 。这 就为安全顺利地掘过这段岩溶含水 区域 ， 为下一步 寻找设计变坡点 ， 远离水害 ， 向煤系地层掘进提供 了 可靠依据。 3 结束语 1 探地雷达超前探测方法可行 ， 探测迅速 、 快 舌 ， 』薹 暑 I I 0 妻 ’ ； ⋯ 耋 龚 赢 恰 水裂 带 ’ 暑 图 4 探地雷达超前探测成果平面图 季 支 留 裂隙 捷 ， 结果准确 ， 能较好地指导现场施工。 2 由于该探地雷达不防爆， 所以不能用在含有 瓦斯等有爆炸危险的掘进巷道 中， 本次超前探测 的 是在灰岩巷道掘进 中进行 的， 不具有瓦斯等爆炸危 险条件。 3 探地雷达超前探测时， 探测面需较平整， 不能 凹凸不平， 否则会影响探测质量， 对探测结果的准确 性和精度有一定影响。 参考文献 【 l J G e o p h y s i c a l S u r v e y S y s t e m s ． I n c ． S i r S y s t e m一1 0 B ／ H T r a i n i n g No t e s [ 2 ]邵雁 ． S I R一1 0 H探地雷达在建筑工程 中的应用[ J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 0 1 ， 2 8 增刊 1 4 41 4 8 [ 3 ]煤炭科学研究总院重庆分院． 四川华蓥 山龙滩煤矿进风 斜井第二次地质雷达探测岩溶裂隙、 暗河溶洞报告[ R ] ． 重庆 煤炭科学研究总院重庆分院， 2 O O 4 责任编辑 熊云威 上接第 3 8页 数据库的部分利用 w i n d o w s 消息机制作 同步更新。 如调整风机叶片角度， 首先在数据库 中查找当前 叶 片角度下风机属性 、 测试数据 、 特性曲线 的相关参数 等， 建立查询表， 发送消息 ， 更新各 面板显示 的数据 和图形 ， 如果在当前角度下再进行改变数据的操作 ， 就要相应更新数据库 ， 再更新各 面板显示 的数据和 图形 。 为了程序便 于移值、 维护 、 升级， 本程序只用一 个接口建立一个空壳虚拟风机 ， 一切参数都在参数 设置 中进行 可视初 始化 。 3 结论 本系统不仅可以作为一个通风仿真系统的子系 4 6 统 ， 确定系统的设计 、 改造及管理的最优方案 ， 而且 可以作为一个独立的系统对风机性能进行分析。在 山西成庄矿的应用 ， 验证 了该系统的快捷 、 方便 、 准 确 、 实用性。 参考文献 [ 1 ]张幸乐．风机特性 曲线模拟[ J ] ． 煤矿设计 ， 2 o o o 4 1 3 一 l 6 [ 2 ]刘泽功 ． 通风安全工程计算机模拟与预测[ M] ． 北京 煤 炭工业出版社， 1 9 9 6 [ 3 ]侯俊杰 ． 深入浅出 加} ℃ [ M] ． 第 2 版 ． 武汉 华中科技大 学出版社 。 2 0 0 1 责任编辑 吕晋英 维普资讯