地质雷达在煤矿地质探测的应用

摘要：为保证煤矿巷道掘进过程中的安全性，提高巷道掘进效率，以某矿3001进风巷和回风巷为工程背景，引进地质雷达超前探测技术。介绍了地质雷达的工作原理以及在煤矿领域的应用特点，基于某矿实际地质条件分析了地质雷达的探测方法、数据处理流程和异常解释原则，对掘进巷道陷落柱、破碎带及煤岩交界面等地质构造进行了探测，与巷道实际掘进揭露情况对比验证了地质雷达的应用效果。结果表明：地质雷达探测结果与巷道实际地质构造情况基本一致，减少了人物料的投入使用，提高了巷道掘进效率，保障了巷道掘进安全性。

关键词：地质雷达;超前探测;数据处理;地质异常

煤矿灾害频发是制约煤矿安全高效生产的主要因素，复杂的地质构造加大了煤层开采的技术难度，防透水及瓦斯突出成为采矿科学领域的研究重点[1-2]。近年来，众多学者将瞬变电磁法、地震法和高密度电法等地球物理勘探技术应用于煤矿井下探测，由于井下环境的复杂性及空间的有限性，地质雷达难以发挥其技术优势，实时成像效果减弱，探测精度大幅降低[3-4]。随着雷达技术的日益发展，部分科研机构研发出井下防爆地质雷达[5]。段毅[6]以常村煤矿皮带顺槽为工程背景，运用地质雷达探明了反掘巷侧帮及迎头面的地质构造情况，确定了含水区域的位置和深度，一定程度上降低了对煤矿安全生产的威胁。李冬[7]通过改变地质雷达的频率对掘进工作面进行超前探测，分析了相应雷达型号的检测效果。本文通过分析地质雷达的工作原理，介绍了仪器探测方法、数据处理流程及异常解释原则，对某矿3001进风巷和回风巷进行探测，分析验证地质雷达在煤矿的应用效果。

1地质雷达基本原理

地质雷达一般由主机、显示器、传输线和天线（发射天线和接收天线）四部分组成。其工作原理为雷达发射天线向检测物内部发射高频电磁波，由于目标物内部结构的不同，造成电磁波到达时间、相位、振幅及波长等因素的变化，雷达主机记录接收天线收集的电磁波特征数据，经加工处理形成监测断面的扫描图像，通过对图像进行判读和精确计算，确定目标物的位置和深度。其工作原理见图1所示。与电磁波问题相同，运用麦克斯韦方程进行求解。探测目标物埋藏深度为：H=tc/（2E姨r）.（1）式中：t为雷达电磁波传播时间，ns；c为电磁波在真空中传播速度，取0.3m/ns；Er为介质的相对介质常数。雷达电磁波在不同介质中的介电常数不同，介电常数相差越大雷达图像越明显。我国煤矿常见的介质介电常数见表1。

2地质雷达的应用特点

由于地质雷达具有装置轻便、施工简单和探测精度高等优势，在煤矿领域得到了广泛应用。目前，地质雷达可解决以下问题：1）煤层厚度探测，可能存在的煤层瓦斯突出带探测。2）地质异常检测，包括断层、采空区、陷落柱等异常体的位置和深度探测，以确保综采工作面推进过程中的安全。3）其他未知地质异常情况的探测。

3地质雷达在煤矿探测中的应用研究

于某矿3001回风巷与进风巷掘进工作面布置雷达测站，探测雷达信号接收范围内的断层、采空区和积水区域等异常位置。某矿可采煤层为3号、9号和15号煤层，现主采3号煤层，煤层厚度为2.1~2.5m，平均为2.3m。采煤方法为走向综采一次采全高法，采用全部垮落法管理顶板。3001进风巷与回风巷长度分别为700m、650m，巷道断面形状为半圆拱形，宽4.2m，高3.5m。于某矿3001进风巷和回风行掘进工作面布置地质雷达测站，雷达型号为中国矿业大学研发的ZTR12矿用本安型防爆地质雷达，雷达天线主频为100MHz。手动打标进行定位，测量过程中需保证仪器的平稳移动，以提高地质雷达的探测精度。地质雷达测线布置如图2所示。现场施工时人工托举将雷达天线紧贴至掘进工作面，设置采样时窗为520ns，采样点数为1024。煤矿井下环境复杂，地质雷达接收天线收到的信号繁杂，其中包括了众多干扰信号，所以必须对接收信号进行预处理，目的是尽可能排除乱杂信号，提高雷达成像的分辨率。图像处理步骤为：零点校正→背景去噪→滤波→增益处理。雷达数据处理流程见图3所示。根据接收信号记录的数据进行成像，采用时间剖面和频率剖面对地质雷达信号进行综合异常解释。地质雷达探测目标物时，发射天线发出的电磁波遇到破碎区域时发生散射现象，造成其时间和频率剖面发生变化。雷达监测成果解释主要依据不同探测物的地球物理特征产生的电磁波特征形态，包括振幅、波长和相位等不同物理参数。传播媒介的差异，促使电磁波的反射、折射及散射现象呈现多种形态，引入“介电常数”表示各介质的形态变化，通过介电常数形成的电磁波反射特征反映煤矿井下煤层和矸石等围岩结构的完整性与异常。

4地质雷达探测效果分析

搜集3001进风巷和回风巷雷达信号数据，经零点校正、去噪和滤波等相关流程后进行数据成像，对该区域内陷落柱、破碎带、煤岩交界面和岩体结构变化区进行超前探测。探测结果有：1）陷落柱异常探测。3001回风巷探测结果如图4所示。图中黑色虚线范围表示陷落柱区域，出现在距掘进工作面前方5.1~6.5m处及9.2~11.8m处。陷落柱区域与正常区域相比，前者反射现象更为明显；异常区域1与区域2相比，前者反射幅度差异较大，说明区域1内岩石发生破碎，而区域2表现为岩体的整体沉陷。2）破碎带异常探测。由3001进风巷探测结果可知，位于掘进工作面左侧2.1m处存在1个条形带状异常反射区，沿ES45°方向延伸至距工作面右侧3.5m处，区域宽度约为45cm，判断为煤层破碎带。距掘进面前方5~8m处存在块状异常反射区域，判断为异常结构区。3）煤岩交界面探测结果。分析3001进风巷地质雷达探测结果，可知距掘进工作面25~30m处存在层面反射信号，反射区域呈连续状态，判断该区域为煤岩层交界面。通过与巷道掘进情况对比验证100MHz频率ZTR12矿用本安型防爆地质雷达在某矿的应用效果。在3001回风巷掘进过程中，发现前方5.5~6.7m处及9.0~11.2m处巷道存在碎石，存在煤层中断现象。在3001进风巷掘进过程中，距探测面前方35~37m处存在一条宽为50cm左右的条形破碎带；距掘进面前方5.2~8.3m处煤体呈块状，且煤质较硬；距掘进面前方24.1~28.5m处出现较硬岩层，为煤岩交界面。巷道掘进情况与100MHz频率ZTR12矿用本安型防爆地质雷达探测结果基本一致，地质雷达探测结果较为精准，省时省力，应用效果显著。且井下安全事故明显减少，保障了巷道掘进过程中的安全性。

5结论

1）陷落柱、破碎带和断层等多种地质构造的存在严重影响了巷道掘进过程中的安全性，巷道掘进效率低下，是制约煤矿安全高效发展的关键因素。2）引进地质雷达超前探测技术，分析了地质雷达的工作原理，基于某矿实际地质条件介绍了地质雷达的探测方法、数据处理流程和异常解释原则，对掘进巷道陷落柱、破碎带及煤岩交界面等地质构造进行了探测，与巷道实际掘进揭露情况对比验证了地质雷达的应用效果。3）3001回风巷与进风巷实际推进情况与地质雷达探测结果基本一致，提高了巷道掘进效率，保障了巷道掘进安全性，应用效果显著。

参考文献

[1]程久龙，李飞，彭苏萍，等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J].煤炭学报，2014，39（8）：1742-1750.

[2]王连成.矿井地质雷达的方法及应用[J].煤炭学报，2000（1）：7-11.

[3]杨立彪.运用矿井探地雷达探测汾西矿区的异常地质构造[J].矿业安全与环保，2012，39（5）：83-84；96.

[4]尚本峰，李永辉，浦少云.地质雷达探测技术在隧道进口段超前探测中的应用[J].水利科技与经济，2018，24（1）：72-77.

[5]崔凡，耿晓航，俞慧婷，等.基于探地雷达的煤层小构造超前探测[J].煤矿安全，2019，50（5）：153-157.

[6]段毅，许献磊.地质雷达超前探测在常村煤矿的应用研究[J].中国矿业，2017，26（8）：150-153.

[7]李冬，杜文凤，许献磊.矿井地质雷达超前探测方法及应用研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：223-228.

作者:李娟 单位:大同煤矿集团永定庄煤业公司