探地雷达在煤巷超前探测中的应用(1).pdf

2 0 0 7 年2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 4 卷第 1 期 探地雷达在煤巷超前探测中的应用 宋劲 - 一 ， 吴燕清 ， 胡运兵 ， 邓春为 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分院， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘要 在煤矿井下煤层巷道掘进作业中， 对掘进前方进行超前探测， 从而预 知掘进前方的煤层异 常情况， 对于保障安全生产、 预防突发性事故的发生有着十分重要的意义。探地雷达探测技术是 一种快 速、 高效、 经济、 可靠的物探方法， 将其应用于煤巷超前探测预报可以弥补超前钻探的不足， 有利于提高 煤巷超前探测的效率和可靠性。 关键词 探地雷达； 煤系地层； 超前探测； 电性参数 中图分类号 P 4 1 2 ． 2 5 ； T D 1 7 5 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 7 0 1 0 0 3 7 0 2 由于受到瓦斯、 水、 矿压、 顶板等煤矿灾害因素 的影响， 我国煤矿井下煤层巷道掘进作业面临极大 的危险性 。在施工前对掘进前方进行超前探测 ， 从 而预知掘进前方的煤层异常情况， 对于提前采取安 全措施， 保障安全生产， 预防突发性事故的发生有着 十分重要的意义。目前的超前探测手段 主要采用钻 孔探测， 存在施工工期长， 成本高， 施工中仍然存在 安全隐患等不足之处。探地雷达技术具有无损探测 不破坏煤体、 无需辅助工程、 探测时间短 1 h 、 操 作安全的特点， 可较好弥补钻孔探测的不足， 有利于 提高超前探测的效率和可靠性。 1 探地雷达煤巷超前探测原理 1 ． 1 探地雷达基本原理 雷达源 于 R a d a r R a d i o D e t e c t i o n a n d m ； i l l g 的 音译 ， 原意是“ 无线电探测与测距” ， 即应用无线 电方 法发现目 标并测定其位置⋯。雷达技术最早由军方 研制使用， 军事上用它来发现 目标并测定 目标的位 置和速度。随着技术和社会需求的发展， 雷达逐渐 转为民用。探地雷达是其中一个分支， 在地质勘探 领域内用于对地探测， 查找目标地层以及地下异常 体等目 标体。近年来随着微电子技术和信号处理技 术的高速发展 ， 探地雷达技术获得了长足的进步， 广 泛应用于工程地质调查、 工程质量检测、 矿产资源勘 收稿 日期1 2 0 0 6 0 4 2 1 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 o ；国 家 “十 五 ”科 技 攻 关 重 点 项 目 2 0 o 4 彤憾0 3 B 0 1 0 1 作者简介 宋 劲 1 。 男。 四川乐山人。 工程师。 博 士研究生， 现从事安全相关技术的开发和研究工作。 查、 水文与生态环境调查、 地质灾害探测、 考古和地 下掩埋物的探测等众多领域， 成为浅层地球物理勘 探中一种重要的技术。 与对空雷达探测原理相似， 探地雷达技术是一 种定向高频电磁波反射定位技术， 它分辨并定位异 常 目 标体的基本物理原理是 发射定向高频电磁波， 依靠 目标体和周围介质之间的电性参数差异， 使高 频电磁波发生反射回波， 通过对仪器接收的反射回 波分析来区分不同的介质和目标体， 见图 l 。其中， 介质导电率和介电常数是 2 个关键的电性参数 介 质导电率影响电磁波的探测深度， 导电率越小电磁 波探测深度越大； 介电常数影响电磁波在介质中的 传播速度， 介电常数越小电磁波速度越快。在探地 雷达探测中， 电磁波反射系数主要取决于 目标体和 相邻介质的介电常数差异， 差异越大反射系数也越 大， 仪器接收到的目标信号也越强。 图 1 煤巷掘进头探地雷达超前探测平面示意图 1 ． 2 探地雷达煤巷超前探测的可行性 煤系地层主要由煤层和顶底板岩层组成， 顶底 板岩层主要是沉积岩， 如灰岩、 砂岩、 粉砂岩等。另 外煤层中可能还含有一些空洞、 水、 侵入火成岩、 黄 泥黏土等。表 1 为煤炭科学研究总院重庆分院对全 国 3 o 多个矿务局， 1 0 0 多个煤层的 3 2 5 个有代表性 37 维普资讯 2 0 0 7 年2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 4 卷第 1 期 煤样在高频条件下的介电特性实验室测试结果 。 表 1 煤系地层中常见的介质介电特性 从表 1 中可看出， 煤的电导率在煤系地层中相 对较小， 是较好的不 良导体， 有利于电磁波的传播， 适合于开展探地雷达探测。而从相对介电常数看， 煤和煤系地层其他介质都有明显差别， 从而造成电 磁波在各介质中的传播速度具有明显差异。高频电 磁波在空气中传播速度最快， 其次是在煤层中， 然后 是在围岩中， 在水 中传播 的速度最慢 。在煤巷超前 探测中， 探测前方存在的陷落柱、 断层不连续面、 围 岩、 含水体、 空洞等瓦斯地质异常情况对于探地雷达 来说都是良好的反射界面。根据以上的理论分析， 应 用探地雷达技术进行煤巷超前探测具备较为理想的探 测应用条件和较好的理论基础。 2 探测 实例 2 ． 1 工作面概况 试验巷道煤层为结构复杂 的厚煤层 ， 具有突出 危险性。煤厚2 ． 6 ～ 5 ． 0 m， 平均为3 ． 5 m 。煤层倾角 为 2 7 。 ～ 3 1 。 ， 平均为2 9 。煤层直接顶为砂质泥岩， 厚 为 4 ． 5 m； 直接底为灰色泥岩 ， 厚为 3 ． 0 m。 2 ． 2 探测情况 采用 1 0 0 M I-Iz 频率的天线对正在掘进的巷道进 行了2 次连续跟踪超前探测， 每次预报 3 0 m 。将第 一 次探测的地点作为连续探测测线的起点， 连续超 前探测预报巷道长为 5 0 m， 见图 2 。 0 1 0in 2 0in 3 0m 4 0in 5 0in 蝶巷掘进方向 圜 第一次探测 第二次探 测 图 2 煤巷连续超前探测布置平面示意图 2 ． 3 第一次探测 第一次探测位于煤巷探测段 的起点， 探测雷达 波形结果见图 3 。从 图 3可 以看 出， 在掘进头前方 38 2 0 m范围内没有出现大的反射回波， 反映煤层及顶 底板没有大 的变化。但是在 2 7 m附近 出现明显 的 异常反射回波， 反映前方可能存在异常。根据现场 钻孔和掘进后揭露的资料证实， 在 2 5 m处 出现 1 条 H0 ． 8 m、 倾角为 6 0 的小断层 F 1 。 0 超前探测深度 ， m l 2 ．8 2 5 ． 6 o l O O 2 o o 3 o o 4 o o 雷达波双程走 时 ／ m 图 3 第一次探测雷达回波结果图 2 ． 4 第二次探测 由于受断层 F 1的影响， 在煤巷掘进到 1 9 m时 发现顶板出现变化。为了保证安全， 进行了第二次 超前探测 ， 探测雷达波形结果见图 4 。从图 4可以看 出， 掘进头前方出现散乱的反射回波， 显示煤巷前方 约 3 0 m范围可能存在异常情况， 具体分为两段 第 一 段位于探测前方 6 m左右 测线全长为 2 5 m 主要 是受第 1 条断层影响产生的异常反射回波； 第二段 位于探测前方 2 5～3 0 m 测线全长 4 4 ～4 9 m ， 推测 为一新的异常。经过现场钻孔和掘进揭露验证在探 测前方 3 0 m处 测线全长 4 9 m处 出现 1 条 H 2 m、 倾角为 6 3 。 的小断层 F 2 。 0 超前探测深度 ， m 1 2 ．8 2 5 I 6 U 1 00 2 uu ， u u 4 OO 雷达波 双程走 时 ／ m 图 4 第二次探测雷达回波结果图 2 ． 5 探测结果和现场揭露资料对 比 巷道揭露 以后 ， 将超前探测结果 和现场实际资 料进行 J 对比， 形成 的探测结果验证见图 5 。从图 5 可以明显看出 在煤巷正常地段雷达反射回波很弱 ， 甚至没有； 而煤巷出现异常的位置附近都有大小不 等的雷达反射回波。说明高频电磁波对煤巷异常具 有明显的识别能力 ， 采用探地雷达进行煤巷超前探 测预报是行之有效 的。 下转第 4 1页 维普资讯 2 O O 7 年2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 4 卷第 1 期 续表 2 为了使评价结果更趋于客观合理， 绘出 6 0 m 和 3 0 0 m两个观测点的下沉累计位移预测 曲线图 图 1 、 图 2 。由此可见， 该矿塌陷体沿走向 主断面 6 0 m处的下沉变形 目前将趋于稳定， 而 3 0 0 m处的下沉变形会维持 目前的高速率状态， 近期会有大的下沉变形发展并将在 2 O O 6 年 1 月以 后逐步趋于稳定状态。 ’ t ／ 图 1 观测点 6 0 m处累计位移预测曲线图 t 『 a 图2 观测点 3 0 0m处累计位移预测曲线图 4 结语 综上所述， 利用计算机程序可以预计开采沉陷 主断面上不同观测点在不同观测时期的下沉累计位 移量， 并绘制出各观测点累计位移曲线图。在此基 础上， 可以判定出沉陷体沿主断面方向不同地段的 稳定性， 对促进矿区生产， 减少灾害损失具有重要的 现实意义 。 参考文献 [ 1 ]曹丽文， 姜振泉． 人工神经 网络在煤矿开采沉陷预计 中 的应用研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 O 0 ， 3 1 1 2 3 2 6 ． [ 2 ]谢和平， 周宏伟， 王金安， 等． HA C在煤矿开采沉陷预测 中的应用与对比分析[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 1 9 9 9 ， 1 8 4 3 9 7 4 0 1 ． [ 3 ]何国清． 矿山开采沉陷学[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版 社， 1 9 8 9 ． [ 4 ]余学义． 采动过程中的地表位移变形预计方法[ J ] ． 湘潭 矿业学院学报， 1 9 9 6 ， 1 0 4 1 6 ． 责任编辑 李琴 上接第3 8页 3 结论 图 5 探测结果验证对比示意图 1 应用探地雷达超前探测煤巷前方异常是行之 有效的。 2 探地雷达反射回波信号是包括煤层、 顶底板、 瓦斯地质异常体和煤层巷道变化等因素的综合反 映。在探测工作时应结合已知的资料针对探测地点 的具体情况作具体分析。 3 随着煤矿井下探测实践不断深入和探测技术 的改进完善， 探地雷达技术作为一种先进、 方便的矿 井物探手段在煤矿的推广应用中有着广阔的前景。 参考文献 [ 1 ]丁鹭飞， 耿富录． 雷达原理[ M] ． 西安 西安电子科技大学 出版 社， 1 9 9 5 ． [ 2 ]蒋成站， 吴燕清， 朱适流， 等． 煤层电性参数测试技术完 善的研究[ R ] ． 重庆 煤炭科学研究总院重庆分院， 1 9 9 4 ． 责任编辑 卫蓉 4l 维普资讯