劉晨

【摘 要】隨著礦井開采向深部延伸，地質(zhì)條件更復(fù)雜，安全管理難度大，現(xiàn)使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，通過對(duì)煤礦井下掘進(jìn)巷道超前探測(cè)和地面實(shí)驗(yàn)的使用，探前探后的對(duì)比驗(yàn)證，取得了良好的效果。

【Abstract】With the increase of excavation depth，the geological conditions are more complex and the safety management is difficult. Geological radar is used to detect the geological structure of coal mine，based on the application of advanced exploration and ground experiment， and comparison of pre and post detection ， the good effect is gained.

【關(guān)鍵詞】礦井地質(zhì)構(gòu)造；地質(zhì)雷達(dá)；斷層；應(yīng)用效果

【Keywords】geological structure of mine； geological radar； fault； application effect

【中圖分類號(hào)】P25 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0180-02

1 現(xiàn)狀分析與存在問題

礦井開采存在著各種地質(zhì)災(zāi)害，尤其是礦井的瓦斯、水、應(yīng)力等災(zāi)害，不僅影響煤礦開采的效率，也極大地影響安全生產(chǎn)。巷道在掘進(jìn)過程中遇到斷層、陷落柱、煤巖體結(jié)構(gòu)破碎等不良礦井地質(zhì)條件時(shí)，將會(huì)影響巷道掘進(jìn)施工，同時(shí)還可能導(dǎo)致礦井水、瓦斯等災(zāi)害的發(fā)生，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的威脅。煤層中的瓦斯含量與瓦斯壓力一方面與煤層的埋藏深度有重要關(guān)系，另一方面與煤層的賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，在斷層、褶曲、煤層厚度變化區(qū)、火成巖侵入?yún)^(qū)等地質(zhì)構(gòu)造附近，往往易發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。掘進(jìn)前方是否存在地質(zhì)異常體，已成為影響掘進(jìn)生產(chǎn)速度和生產(chǎn)安全的主要因素。

隨著礦井開采向深部延伸，地質(zhì)條件更復(fù)雜，安全管理難度大，采掘接替緊張。以往礦井對(duì)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的主要物探手段有瑞利波探測(cè)技術(shù)和地震波探測(cè)技術(shù)，兩種儀器在施工效率、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、探測(cè)精度上，都不能與礦井當(dāng)前環(huán)境下降本增效、靈活高效的理念相匹配。為提升掘進(jìn)前方構(gòu)造異常體探測(cè)精度，保證掘進(jìn)生產(chǎn)速度和安全，結(jié)合礦井實(shí)際，將探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)運(yùn)用到礦井下。通過對(duì)礦井下掘進(jìn)巷道超前探測(cè)和地面實(shí)驗(yàn)的使用，探前探后的對(duì)比驗(yàn)證，取得了良好的效果。

2 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR，又稱地質(zhì)雷達(dá)）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的光譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)。在系統(tǒng)主機(jī)的控制下，發(fā)射機(jī)通過天線向圍巖內(nèi)定向發(fā)射高頻寬帶電磁波脈沖[1]。垂直于巖層表面向圍巖內(nèi)傳播的電磁波當(dāng)遇到有電性差異（主要是介電常數(shù)、電導(dǎo)率）界面或地質(zhì)異常體時(shí)即發(fā)生反射，反射波被天線接收進(jìn)入接收機(jī)，并傳到主機(jī)，主機(jī)對(duì)從不同深度返回的各個(gè)反射波進(jìn)行放大、采樣、濾波、數(shù)字迭加等一系列處理，可在顯示器上形成一種類似于地震反射時(shí)間剖面的探地雷達(dá)連續(xù)探測(cè)彩色剖面[2]。該剖面的橫坐標(biāo)沿測(cè)線方向，表示距離，單位為米，隨著距離的不斷增加，以等距離間隔掃描反射回一系列的反射波曲線?？v坐標(biāo)代表時(shí)間（單位ns），即表示每條掃描取樣反射曲線上各個(gè)反射波往返旅行時(shí)間（單位t）。在相對(duì)介電常數(shù)εr給定的情況下，縱坐標(biāo)就可以通過下式換算為深度r，r =■

式中c/■為介質(zhì)內(nèi)雷達(dá)波傳播速度，工作中介電常數(shù)εr，一般通過介質(zhì)內(nèi)已知目標(biāo)深度，求出介質(zhì)中的雷達(dá)波速度，或通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播速度。

數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先根據(jù)掃射回波的形態(tài)、反射強(qiáng)度及其變化在連續(xù)剖面上判別目標(biāo)性質(zhì)，再根據(jù)回波的時(shí)間和速度確定目標(biāo)深度，然后將這些信息繪成剖面成果圖。

3 探測(cè)成果分析

3.1 任樓煤礦井下探查實(shí)驗(yàn)

3.1.1 煤巷超前探測(cè)

①第一次探測(cè)實(shí)驗(yàn)

探測(cè)地點(diǎn)：任樓煤礦井下7259機(jī)巷 j30點(diǎn)前10m 位置處。測(cè)線布置：探測(cè)時(shí)迎頭正前方布置1條測(cè)線，選用100MHz天線，從左向右每隔0.2m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

探測(cè)成果：迎頭前方存在4處異常反射界面，分別為：①迎頭前方5.5m有反射波存在，可能為裂隙存在；②迎頭前方13m有反射波，可能為裂隙存在；③迎頭前方19m有反射波存在，預(yù)測(cè)為構(gòu)造裂隙；④迎頭前方24m有反射波存在，預(yù)測(cè)為裂隙存在。

探后驗(yàn)證：除②號(hào)異常與巷道實(shí)際揭露有偏差外，其他異常與實(shí)際揭露較一致。

②第二次探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

探測(cè)地點(diǎn)：8230切眼 Q1點(diǎn)前8.3m 位置處。測(cè)線布置：探測(cè)時(shí)迎頭正前方布置1條測(cè)線，選用100MHz天線，從左向右每隔0.2m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

探測(cè)成果：距迎頭前方15～20m處（即Q1點(diǎn)前13.3m、23.3～28.3m處），波形相對(duì)其周圍能量較弱，分析該處可能為構(gòu)造裂隙影響所致。

探后驗(yàn)證：實(shí)際揭露位置圖與資料一致。

3.1.2 任樓煤礦巖巷超前探查

①Y24點(diǎn)前23m點(diǎn)探測(cè)

探測(cè)地點(diǎn)：中六運(yùn)輸大巷Y24點(diǎn)前23m位置處。測(cè)線布置：本次探測(cè)使用100MHz天線探測(cè)，結(jié)合探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，在迎頭斷面水平方向從左到右做1條測(cè)線，每0.2m采一個(gè)點(diǎn)共采集21個(gè)點(diǎn)。

探測(cè)成果：本次探測(cè)得到一張成果圖，距迎頭前方8～9m（Y24點(diǎn)前31～32m）處存在一處較強(qiáng)反射波界面，結(jié)合地質(zhì)資料分析，以上反射界面可能為F2-1∠65°H=9m±斷層或伴生構(gòu)造引起的構(gòu)造裂隙面影響所致。

探后驗(yàn)證：實(shí)際揭露位置圖與資料一致。

②Y24點(diǎn)前35.6m探測(cè)

探測(cè)地點(diǎn)：中六運(yùn)輸大巷Y24點(diǎn)前35.6m位置處。測(cè)線布置：本次探測(cè)使用100MHz天線探測(cè)，結(jié)合探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，在迎頭斷面做1條測(cè)線，豎直方向從上到下做1遍，每0.2m采集1個(gè)點(diǎn)。

探測(cè)成果：中六運(yùn)輸大巷施工迎頭前方存在三處探測(cè)異常反射界面，分別為：1號(hào)異常段距迎頭前方15.5 ～17.5m（Y24點(diǎn)前51.1～53.1m）； 2號(hào)異常段距迎頭前方21 ～23m（Y24點(diǎn)前56.6～58.6m）；3號(hào)異常段距迎頭前方25～26m（Y24點(diǎn)前60.6～61.6m）；結(jié)合地質(zhì)資料分析，以上反射界面可能為F2∠58°H=100m±斷層引起的伴生構(gòu)造裂隙或巖層變化分界面影響所致。

鉆探驗(yàn)證：巷道鉆探控制剖面圖，探測(cè)結(jié)果與實(shí)際較吻合。

3.2 地面

探測(cè)地點(diǎn)：任樓礦變電所旁人工湖測(cè)線布置：本次探測(cè)使用100MHz天線探測(cè)，結(jié)合探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，在迎頭斷面做1條測(cè)線，每1m測(cè)一個(gè)點(diǎn)，共做30m，30個(gè)測(cè)點(diǎn)。探測(cè)成果：本次探測(cè)圖中橫坐標(biāo)在9m～14m之間波形存在明顯幅值凸顯點(diǎn)，與涵洞實(shí)際位置較對(duì)應(yīng)。

4 實(shí)施效果

通過以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比現(xiàn)有地質(zhì)構(gòu)造超前物理探測(cè)技術(shù)（瑞利波探測(cè)技術(shù)、地震波反射法探測(cè)技術(shù)）對(duì)比分析如下：

①精度較高。通過實(shí)際揭露驗(yàn)證知，探地雷達(dá)大幅提升了探測(cè)精度，并且對(duì)異常體的具體形狀有較直觀的表達(dá)。

②施工過程效率高。探地雷達(dá)相對(duì)瑞利波和地震法能大幅減少施工人員，同時(shí)也減少了施工時(shí)間。

③安全系數(shù)更高。不管是瑞利波法還是地震波法都必須要求有震動(dòng)方能探測(cè)前方情況，震動(dòng)大大加大了片幫、掉矸傷人的危險(xiǎn)性，探地雷達(dá)方法使用的是電磁波脈沖，對(duì)探測(cè)迎頭不產(chǎn)生任何破壞，增加了一定的安全系數(shù)，同時(shí)也降低探測(cè)后期對(duì)巷道維修的成本。

④經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。地震波法超前探，必須在巷道幫部打眼，特別是放炮時(shí)，炮藥雷管都是一次性使用，費(fèi)用較高，放炮可能會(huì)對(duì)巷道支護(hù)及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施產(chǎn)生破壞。

⑤社會(huì)價(jià)值更好。地震炮擊施工產(chǎn)生大量炮藥污染環(huán)境，對(duì)施工人員健康也不利，探地雷達(dá)采用高頻寬帶電磁波脈沖相對(duì)清潔。

5 不足之處

地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)在我國(guó)煤礦生產(chǎn)過程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是地質(zhì)雷達(dá)也有其局限性[3]，在以下五個(gè)方面有待于進(jìn)一步提高：①探測(cè)距離與分辨率的矛盾無法克服；②多次波及其他雜波干擾嚴(yán)重，原始記錄的信噪比低，有效波的識(shí)別及其成果解譯十分困難；③所獲得的被探測(cè)對(duì)象的空間信息量太少，其資料成果的解釋往往存在多解性；④煤礦探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)探測(cè)精度影響較大；⑤在部分介質(zhì)中能量損耗較快，探測(cè)距離變短。

6 結(jié)語

目前，該技術(shù)已在礦井較好的應(yīng)用，探地雷達(dá)較高探測(cè)分辨率和高工作效率的特點(diǎn)，逐漸成為礦井地質(zhì)構(gòu)造探查的一種重要手段。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王連成.礦井地質(zhì)雷達(dá)的方法及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25（1）：5-9.

【2】楊永杰，劉傳孝，蔣金泉，等.地質(zhì)雷達(dá)及其在煤礦中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，1996（5）：33-36.

【3】曾昭發(fā).探地雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.