礦井探地雷達井下快速超前探測與數據分析

梁慶華

(1.中南大學 信息物理工程學院，湖南長沙 410083;2.煤炭科學研究總院 重慶研究院，重慶400037)

礦井探地雷達井下快速超前探測與數據分析

梁慶華1、2

(1.中南大學 信息物理工程學院，湖南長沙 410083;2.煤炭科學研究總院 重慶研究院，重慶400037)

煤礦井下條件復雜，生產進度快，探測掘進面平整度差。為了準確探測礦井掘進工作面前方地質構造情況，基于探地雷達反射原理，介紹探地雷達在井下工作實用探測方式，探討了井下探地雷達數據處理和波形分析方法，結合在煤礦井下的應用試驗，分析探地雷達實際使用效果，指導煤礦安全生產。

礦井;防爆;探地雷達;復雜環境;超前探測

0 前言

探地雷達具有高探測分辨率和高工作效率的特點，目前已經逐漸成為淺部地球物理勘探的一種重要手段［1］。與一般的電法探測技術相比較，探地雷達方法的優勢在于它能直接識別地下目的體，不需要特別復雜的理論推演。近年來，煤炭科學研究總院重慶研究院生產的KJH－D型防爆探地雷達，開始在多個礦業集團進行推廣應用［2］。煤礦井下環境復雜，而且存在瓦斯、水等災害，探測掘進面的凹凸不平，以及掘進機和鉆孔的影響等，對于探地雷達井下探測來說，是一個較大的挑戰。

1 基本原理

探地雷達(GroundPenetratingRadar，簡稱GPR，又稱地質雷達)方法是一種用于確定地下介質分布的光譜(1MHz～1GHz)電磁技術［3］。如圖1所示，探地雷達利用發射天線T發射高頻寬帶電磁波脈沖，接收天線R接收來自地下介質的界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形，將隨所通過介質電性的性質和幾何形態而變化［3］。因此，根據接收到波的旅行時間(雙程走時)、幅度與波形資料，可推斷出介質的結構和形態大小。

圖1 探地雷達原理示意圖Fig.1 TheschematicdiagramofGPRprinciple

防爆探地雷達探測目標體的距離定位，可通過公式(1)來計算［4］。

式中 l為目標體離探測點的距離;v為雷達波在介質中的速度;t為雷達波在介質中的雙程走時。

反射界面深度計算公式近似為:

式中 H為反射界面深度;x為雷達發射和接收的間距;v為雷達波在介質中的速度;t為雷達波在介質中的雙程走時。

對于介質為井下煤層而言，雷達波在煤層中的速度v，可以根據式(3)求出。

式中 v為雷達波在煤層中傳播的速度;c為光在真空中的傳播速度(c=3×108m/s);ε'為雷達波在煤層中傳播的相對介電常數。

煤的相對介電常數變化不大，從褐煤到無煙煤，ε'為2.3 ～3.6［5］，則電磁波在煤層中傳播速度v為0.15m/ns～0.19m/ns。在沒有已知資料的情況下，一般取v為0.18m/ns，也可通過其它方法進行測定［6］。

2 煤礦井下巷道掘進面探測工藝

在煤礦巷道掘進頭超前探測時，在巷道掘進面上架設發射天線和接收天線，在掘進面上同時發射脈沖信號和接收反射回來的脈沖信號，然后根據回波信號走時來計算異常體界面的距離和位置，如圖2所示。

目前，由于井下的掘進面比較狹小，雷達天線頻率大多選擇100MHz，天線間距一般在1m。經過大量的井下數據采集工作經驗，獲得了如下探地雷達井下探測實用工藝。

(1)選址:選擇要探測的目標體。選址要注意探測巷道盡量保證平緩，在探測巷道周圍盡量做到無鐵塊、無電纜線、無錨桿等異常體。

(2)清理覆煤:利用工具對探測目標體覆煤進行清理，以利于天線平行放置，且與探測面緊貼。

(3)布置測線:在選定的掘進面布置測線，既能探測到目標體，又能利于天線移動操作。用測量尺標好探測距離，一般采用同一條測線從左往右、從右往左不同的方式，以利于探測結果相互印證。

(4)工作方法選擇:根據探測目標體的實際情況，選擇共中心點法、反射法等方法。井下實際采用大多選擇反射法，在探測時可以采用從左到右、從右到左、從上到下、從下到上等不同形式，保證探測目標體在測線范圍內。

(5)采集數據:探測一般需要四個人員，其中二個探測人員負責天線的移動與平行，一個探測人員操作儀器，一個探測人員負責測線布置與指揮。在探測時，要注意天線的貼緊與平行。在數據采集時，天線移動步距要小，一般移動0.1m采集一次;在天線貼緊不動時方可采集。

(6)數據回放:數據回放以確定采集工作已存盤。同時，針對異常體的異?；夭?，對異常體采取加密采集。

(7)采集結束:在采集結束時，存盤，關機，收拾儀器，放回儀器箱，設備清點無誤后方可離開。由于井下覆煤較多，容易造成一些小儀器件的丟失，因此下井要備用一個袋子專門裝小的儀器件。

為保證探地雷達在井下安全地實施探測工作，保證探測質量，除了按照《煤礦安全規程》有關規定執行，還要采取以下安全技術措施。

(1)下井前充分了解需探測地點的各方面情況，以保證地質超前探測的順利進行。

圖2 煤礦巷道掘進頭雷達超前探測示意圖Fig.2 Theadvancingdetectionradardiagramoftheminetunnelheading

(2)到探測地點后，由安全員檢查掘進面支護情況，由瓦檢員檢查掘進面瓦斯情況，并將檢查結果向現場負責人匯報。在確定瓦斯濃度不超標，頂板支護安全的情況下，方可進行探測。

(3)探測掘進面需通風良好。若發現工作面存在通風不良等隱患，必須首先處理，達到要求后方可開展探測工作。

(4)在探測時，探測區域要停止煤層掘進，頂板支護等項工作。

3 井下數據采集處理方法

防爆探地雷達主要針對煤礦井下應用，現場需要快速、簡便的數據處理方法，因此相對簡單、實用、有效的數據處理手段，是礦井防爆探地雷達的最好選擇。

雷達波形的處理，主要是設置增益。增益的設置是放大深部信息的信號，使它們能和淺部的信息一起顯示出來，便于技術人員識別和解釋。經過大量的試驗驗證資料，防爆探地雷達一般采用自動增益(AGC)來處理數據，具體數學公式見式(4)。

W'(t)=W(t)G(t) (4)其中 W'(t)為使用自動增益后的雷達波形記錄;W(t)為原始雷達波形記錄;G(t)為動態增益參數因子。

采用自動增益技術，將深部弱小信號的能量強度，放大到和淺部的強大信號同一個數量級，從而平衡不同深度的雷達信號，得到一個整體的信息對比。其中，動態增益參數因子由軟件自動計算，不需要人工參與計算，該方法操作比較簡單，便于推廣應用。

4 井下雷達數據分析技術

作者經過大量的實踐經驗總結認為，井下雷達波形的分析主要看波形明顯的回波異常區域和明顯的波形分界線?；诖?，井下雷達分析方法可以分為波形明顯的回波異常分析法和波形明顯的分界線法。對于一些掘進面不平等造成的干擾因素，分析時要注意剔除。

4.1 波形明顯的回波異常分析法

由巖體物性差異造成的波形明顯的異?；夭ㄊ抢走_波分析的基礎，幾乎大部份的探測異常都是通過這種方法分析得出的。這種方法在礦井雷達數據分析中也經常被采用。但在使用時，要注意一些干擾因素的影響，有時候對于一些非常小的斷層造成的異?；夭ǚ治隼щy，尤其是斷距在1m以下的斷層，影響更為明顯。

圖3～圖5(見下頁)為探測實例。儀器采用KJH－D防爆型探地雷達，天線頻率100MHz，采樣時窗800ns，天線間距1m，采集方式采用反射法，電磁波在煤層中的波速設為0.18m/ns。

由圖3～圖5明顯看出，雷達分析方法反射回波均存在明顯的反射異常區域。

圖3中，17m異常區域明顯出現斷痕。

圖4中，在5m處波形明顯發生變化，波形的條幅由細變粗;

圖5中，在16.5m處明顯產生了一條粗且黑的反射波。

這三個例子均存在明顯的反射異?；夭?，這種實例在礦井中比較常見。波形明顯的回波異常分析法，在礦井中也常被用到。但有時前方煤體破碎也會造成一定的干擾，所以需要進行仔細的分析判斷。

4.2 波形明顯的分界線法

由于深部信號比較微弱，若是遇到小的構造，必然造成信號衰減的異常，形成的探測圖形就會有明顯的衰減界線，在分界線以上淺部雷達回波完整，波形比較正常;在分界線以下深部雷達回波基本看不到，形成一片無回波區域。對這樣的界面分析時，就要注意異常的存在可能性。

圖3 紫金礦3204工作面切眼超前雷達探測成果圖(17m斷層)Fig． 3 The advancing radar detection results map of 3204 mining face cut in Zijin mine ( 17 m faults)

圖4 新陽礦六采3#煤集中軌道巷雷達探測成果圖(5m處進入陷落柱邊界)Fig． 4 The radar detection results map of 3# coal concentrated track tunnel in Xinyang mine six mining area ( 5 m fall intothe border of column)

圖5 紫金礦一采區軌道上山雷達探測成果圖(16.5m采空區)Fig． 5 The radar detection results map of uphill tunnel in one mining area of Zijin mine ( 16． 5 m gob)

圖6 新陽礦六采3#煤集中軌道巷雷達探測成果圖(10.9m陷落柱邊界)Fig． 6 The radar detection results map of 3# coal concentrated track tunnel in Xinyang mine six mining area( 10． 9 m fall column boundary)

一般正常的雷達回波在煤層中穿透距離約20m～30m左右，而界面在20m以前，則可以推斷存在一定的構造異?；蛘咂扑閹?。

圖6～圖8為探測實例。儀器設置同4.1中所設。以上圖6、圖7及圖8均有分界線形成的異常。這種分析方法要注意地質條件:

(1)在相同的地質條件和探測條件下，雷達波明顯傳播距離短，可以推斷存在地質異常。

(2)但在掘進面影響因素較大時(例如存在較大的凹凸不平，存在大的鉆孔等情況)，要謹慎分析。

5 結論和展望

(1)由于受到煤礦井下環境的制約，井下探地雷達探測要采取一定的安全措施，探測時盡量多布置幾條測線，以便相互印證。

(2)井下雷達探測數據處理，一般采用自動增益AGC來處理，能簡單、快速、方便地進行數據處理工作，較好地反映了地質信息。

圖7 紫金礦西翼回風巷側幫雷達探測成果圖(23m保安煤柱邊界)Fig． 7 The radar detection results map of return air tunnel side in west of Zijin mine ( 23 m border security pillar)

圖8 河東礦四采區軌道巷雷達探測成果圖(23m斷層)Fig． 8 The radar detection results map of track tunnel in four mining area of Hedong mine ( 23 m fault)

(3)井下雷達波形異常分析，主要采用波形明顯的回波異常分析法和波形明顯的分界線法。這兩種方法基本能解決井下雷達數據分析異常問題。

防爆探地雷達技術作為一種新型的近距離礦井物探技術，其優點和缺點都特別明顯。優點是井下施工快速，探測時間一般在10min左右，基本不影響生產;缺點是探測距離較短，一般在30m～50m范圍內。通過廣大科技人員在實踐中不斷地完善和發展，提升優點，克服缺點，使礦井探地雷達將會為更多的煤礦服務，取得更大的成就。

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P631.4

A

1001—1749(2011)05—0531—05

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2005CB221500);國家自然科學基金重點資助項目(50534080);“十一五”國家科技支撐計劃資助項目(2006BAK03B01)

2011－02－09 改回日期:2011－08－15

梁慶華(1980－)，男，山東日照人，博士，研究方向:礦井物探及安全工程。