地质雷达超前探测在常村煤矿的应用研究.pdf

第 2 6 卷第 8 期 2 0 1 7年 8月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo1 ． 26， No． 8 Au g． 2 0i7 地质 雷达超前探 测在常村煤矿的应用研 究 段毅，许献磊 中 国矿 业 大学 北京 煤炭 资 源与安 全开 采 国家重 点 实验 室 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 巷道掘进前方 隐伏 的灾害源极 易造成 矿井事故 的发 生 ， 对 煤矿 的安全生产 构成 了极 大 的威 胁 。对掘进巷道进行超前探测 ， 从而掌握掘进 巷道 的煤 层异 常情况具 有十分 重要 的意义 。本文 首先介绍 了基于地质雷达方法 的煤巷超前地 质探 测方法和原理 ， 然后从实 际工 程应 用出发 ， 对潞安集 团常村煤矿皮 带顺槽反掘巷进行地质雷达超前地 质探 测。应用 基于时间剖面和频率剖面复合解 释技术对处 理后 的数据 进行解释 ， 结果表明 探 明了反掘巷 侧帮及迎头面地质构造情况 、 确定 了 6 个煤 ／ 岩性变化带 、 2个破碎 和裂 隙水 区域 的位置 和深 度。 关键词 煤井灾 害源 ；地质雷 达 ；超前探测 ；数 据处理 中 图分 类 号 TD1 6 6 文献 标 识 码 A 文章 编 号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 1 7 0 8 0 1 5 0 0 4 Ad v a n c e d d e t e c t i o n a pp l i c a t i o n b y u s i n g g e o l o g i c a l r a d a r i n c ha n g c u n c o a l mi n e DUAN Yi 。XU Xi a nl e i S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f C o a l Re s o u r c e s a n d S a f e M i n i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y Be ij i n g ，Be ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a 我国煤炭开采地质条件复杂， 矿井突水等矿井 隐伏 灾 害 源 导 致 我 国 煤 矿 事 故 频 发 ， 威 胁 矿 井 安 全 。地方 各 级 安 全 监 管 部 门 提 出 了煤 矿 水 害 防 治 “ 预测 预报 ， 有 疑必 探 ， 先 探 后 掘 ， 先 治 后 采 ” 的 十六 字 方 针 。矿 井 防 治 水 工 作 的关 键 就 要 求 首 先 采 用 物探技术查明隐伏含水等不 良地质构造 ， 并提前采 取 治 理对 策口 ] 。随着 地 球 物 理勘 探 技 术 的发 展 ， 比 如地 震勘探 、 瞬变 电磁 等 技 术 方 法 为 煤 矿安 全 提 供 了有 力 的技 术 支 撑 。矿 井 地 质 雷 达 技 术 因 其 探 测 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 3 0 6 责任编辑宋 菲 基金项 目 “ 十二五” 国家重大科 学仪器设备 开发专项项 目资助 编 号 2 0 1 2 Y Q0 3 0 1 2 6 ； 国家 自然科学基金项 目资助 编号 4 1 5 0 4 1 1 2 第一作者简 介段毅 1 9 7 3 一 ， 男 ， 汉族 ， 河南 三门 峡人 ， 高 级工 程 师 ， 博士后 ， 研究方 向为 资源安全管理 ， E ma i l d y 3 7 1 1 2 6 ． c o rn。 精度高、 实用方便 ， 已经广泛地应用 于矿井灾害 源 的超 前探测 中l_ 2 ] 。 本文 针对 潞 安 集 团常 村 煤 矿 存 在 的地 质 异 常 问题 ， 从 实 际工 程 应 用 出 发 ， 对 常 村 煤 矿 皮 带 顺 槽 反掘 巷进 行 地 质 雷 达 超 前 地 质 探 测研 究 。结 果 表 明 ， 矿井 地质 雷达技 术 探 明 了反 掘巷 侧 帮 及 迎 头 面 地质构造情况 、 确定 了煤／ 岩性变化带 、 破碎和裂隙 水 区域 的位置 和深度 。 1 地质 雷达 工作原 理 地质 雷达 通 过 信 号 发 射 天 线 发 射 高 频 宽 频 带 电磁 波 ， 接 收 天 线 接 收 来 自地 下 介 质 界 面 的 反 射 波。电磁波在 介质 中传播 时， 其路径 、 电磁场强 度 与波形将 随所通 过介质 的电磁 性质及几何形 态而 变化 。因此， 根据接收到 的电磁波 的旅行 时间 亦 称双 程走 时 、 幅度 与 波 形 资料 ， 可推 断地 下 介 质 的 ～ 一 一 一 一 一 ～ _蓦 一 一 一 ． M ． ～ 一 ～ ． ，． ∞ 明 ．Ⅵ ．n 一 一 一 一 ～ ～ 一 ～ ～ 一 一 一 ～ 一 ～ ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ ～ ～ ～ ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一 ～ 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 ． 叫 _一 ～ 一 一 ～ ～一 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 ～ 一 脚 第 8期 段毅 ，等 地质雷达超前探测存常村煤 矿的应川 研究 分布 情况 J ， 其工 作原 理 如 l 所示 。矿 用 本安 犁 地质 雷 达在 矿 井 下 主 要 解 决 以下 f h j 题 。 ① 矿 井 地 质 异 常体 探 测 顶 底 板 及 侧 帮 ， 掘 进 而 及 同 采 工 作 面 前 方 范 围 ， 小 断 层 、 采 宅 、 陷 落 柱 、 含 水 Ⅸ 等 ； ②煤 层 厚 度 、 煤 厚 异 常 变 化 带 、 可 能 的煤 层 瓦 斯 突 出带 探测 ； ③ 其 他 各 类 地 下 未 知地 质 情 况 的 超 前地 质预 报 。 2地 质 雷达探 测 实验 2 ． 1研 究区概 况 常村煤 矿 位于 山西 省 长治 市 - 也留 县境 内 ， 距 潞 安 集 团 约 9 k m， 地 理 坐 标 东 经 1 1 3 。 0 ， 北 纬 3 6 。 2 O 。常村 煤 矿 主要 含 煤 地 层 为下 二 叠 统 山 两组 及 上 石炭 统太 原 组 ， 含煤 1 0 ～ l 7层 ， 其 中可 采 煤层 为 3 煤 层 和 l 5 煤 层 。常 村 煤 矿 现 主 采 3 煤 层 。矿 井 采 用 中 央立 井 开 拓 方 式 ， 分 两 个水 平 开 采 ， 第 一 发日 寸 大线 接收 大线 x l 图 l 地 质 雷 达 反 射探 测 原 理 图 a 左侧 迎 头旺 u 水平 为 5 2 0 r n水 平 。 主要 运输 大 巷布 置在 3 煤层 下约 3 0 m 中 ， 肝采 3 煤层 的浅部条 带 ； 第二 水 平 为 4 7 0 r D ． 水 平 ， 开 采 3 煤 的深 部 及 1 5 3 煤 。 两 个 水平 之 问采 用 暗 斜 井 联 络 。采 煤 方 法 为 走 向 或倾 综 采 放 顶 煤 一 次 采 全 高 和 分 层 长壁 金 属 网假顶 伞部 垮落 法 。 2 ． 2仪器 及测 线布 置 此 次现 场 探 测 试 验 采 用 中 国 矿 业 大 学 北 京 开 发 的 Z TR1 2矿用本 安 型防爆地 质 雷达 ， l火线 的 中 心 频 率 为 1 O 0 MHz大线 。根 据 井 下 的现 场 作业 条 件 ， 在 常村煤 矿 皮带 顺槽 反 掘 巷侧 帮 及 迎 头 面 嚣 测线 条 ， 每测 线 均两 测 同。具 体 布 置 示 意 及 雷 达仪 器 见【鬈 】 2 。 2 ． 3 地 质霄 达数 据采 集 该地 质雷 达 仪器 须 一 台 主 机连 接 一 台天 线 ， 才 能完 成探 测工 作 。大 线 一 端 连 接 主机 控 制 f 1， 另 一 端连 接 天 线 通 信 【 ]。再 分 别 打 开 主 机 和 天线 的 哇 土 源 开火 ， 即 叮进 行 探 测 。根 据 探 测 目标 的埋 深 、 形 状大 小 、 介质 环 境 特 点 、 目标 与 环 境 的 电导 率 j 介 电常 数等 电磁 特性 ， 进 行测 线 走 向、 问距 的设计 ， 仪 器参 数 的选 择 。探 测 现 场 的 纪 录 是 资 料 解 释 的 基 础 ， 现 场纪 求 的要 点是 把 那 些 可 能产 生 反 射 干 扰 的 第 物 都 记录下 来 ， 注 明 它们 的性 质 、 与 测 线 的距 离 、 位置 系等 。根据 卜述 测 线 布置 图 ， 进 行 雷 达 数据 的采 集 ， 其 中测 量 视 窗 为 5 2 0 n s 。测 量 数 据 采 集记 录表 如表 l所 示 。 I 1 侧帮 地 质雷达 仪器 沣 图巾虚线线 条为地 质甫达测线 图 2 S 0 - 2皮带顺槽反掘巷测线布置示意 图 1 5 2 中 国 矿 业 第2 6 卷 3数 据处 理 3 ． 1 数据 处理 流程 地质雷达 干扰信号很 多， 也很 复杂 ， 需 要进行 多 种方 法处 理 ， 而 且 处 理 需 要 有 针 对 性 ， 才 能 有 效 提 高信 噪 比 ] 。图像 处理 的一 般包 括 以下 步骤 进 行 零点 校正 、 背 景 去 噪 、 滤 波 和增 益 处 理 等 ， 其 处 理 流 程如 图 3所示 。 表 l 数 据采集记录表 述立测【 夏 项 目 主一 选巾测线数据 生 一 选一 f _1 测线数据 L一 零线 确定 确定处理参数 选择处理 史记录 l J数据处理 处理模块选取 l 足 匝 l处 理 结 粜 分 析 l i l 处 结果输出 l 零线漂移上除 增益 处理 一 维 滤波 二维 滤波 频率 补偿 道 间 平衡增 强 小波 变换 反 积 预测水甲滤波 积分运算 3 ． 2 异常 解 释的原 则 雷达图像 的综合解 释是探地雷 达探测 的最终 目的 ， 由于煤矿环境 复杂 ， 地 质雷达 受到周 围支架 环境的干扰严重 ， 目前 国内、 外地质 雷达信号解 释 均 采 用时 间剖 面进 行 。 “ 』 。 在实 际应 用 中 ， 由 于 地 下 介 质 的 复 杂 多 变 ， 探 地雷达的回波信号往往具有时变 、 非平稳和随机性 等特点， 因此采用时间剖 面和频率剖面复合解释技 术 ， 可 以有效避免 由于非 地层对象引起 的信号突变 现象 ， 从而提高资料解释的准确度。电磁波在遇到 破碎区域时产生散射现象 ， 该现象导致时间和频率 剖面发生 突变。探测 区域 的地球物 理特征是雷达 检测成果解释的重要依据 ， 探测 区域 内各 目标物 的 地球物理特征决定 了电磁波在其中传播 的的形态 ， 电磁波 的反 射 、 折射 及 透 射 随不 同的 传 播 媒介 呈 现 出不 同的 的形 态 ， 其 中 ， 目标 物 的介 电 常 数 是 雷 达 数据解释的重要依据 ， 介电常数差异形成的电磁波 反射 特 征 正是 煤 层 与 煤 矸 石 、 围 岩层 面 及 煤 层 围 岩 内部 完整 性 、 结 构性 变 化 的主 要 依 据 。空 洞 、 围 岩 富水 、 积水 、 围岩扰 动 等 缺 陷 与水 、 空 气 的存 在 密 切相 关 。 3 ． 3结果 分 析 3 ． 3 ． 1 皮带 顺槽 反掘 巷探测 结 果 根据测线探测结果 ， 结合现场地 质情况及相关 地质 资料 绘制 以下 平面 示 意 图。剖 面 图 图 4 中 白 色虚 线 为雷 达 推 测 煤 ／ 岩 性 变 化 带 ， 白色 虚 线 方 框 区域 为雷 达推 测 的破 碎 带 ， 含弱 裂 隙 水 。测 线 剖 面 解 释 结果 平面 示意 图见 图 4 。 图 4 8 1 0 1 轨道运输顺槽探测异常分布示意 图 3 ． 3 ． 2 皮带 顺槽 反掘 巷左侧 帮 雷达剖 面 根据 雷 达 波 信 号 的 同 相 轴 变 化 和 回波 能量 变 化 ， 该测 线 雷 达 探 测 结 果 显 示 有 三 处 煤／ 岩性 变 化 带 。深度 分别 位 于探测 前方 约 1 0 ～1 8 I D _ 、 2 2 ～2 9 m 和 3 8 4 1 i n。雷 达剖 面 图 5 a 中 白色 虚线 为雷 达 探测 煤 ／ 岩性 变化 带 。 3 ． 3 ． 3 皮带顺槽反掘巷左侧帮雷达剖面 根据雷达波信号 的同相轴变化 和回波能量变 化 ， 该测 线 雷 达 探 测 结 果 显 示 有 二 处 煤／ 岩 性 变 化 带和二处破碎带 。煤／ 岩性变化带深度分别位于探 浈 0 前方 约 2 1 12 “1 和 2 9 m； 破 碎带 范 围分 别 是距 离 测 线起 点约 3 O ～4 5 I T l 和 8 5 ～ 1 0 0 m， 深 度均 约 7 ． 5 ～ 2 5 m。 雷达剖面图 5 b 中白色虚线 为雷达探测煤／ 岩性 变 化带 ， 白色虚 线 方 框 区域 为 雷 达 推 测 的破 碎 带 ， 含弱 裂 隙水 。 3 ． 3 ． 4 皮带顺槽反掘巷左侧帮雷达剖面 根据雷达波信号 的同相轴变化和 回波 能量 变 化 ， 该测 线 雷 达 探 测 结 果 显 示 有 三 处 煤／ 岩 性 变 化 带 。深度 分别 位 于探测 前方 约 2 2 m、 3 3 m 和 3 8 m。 罕 第 8 期 段毅 ，等地质饼 达超前探测在常村煤矿的应用研究 1 5 3 雷达剖而I 冬 『 5 c 中白色虚线 为雷达探 测煤／ 岩性 变 化 带 。 a 舂 j f fJ lj 1 年 j f i }l } 迎头I f 【 l 图 5 S 0 2皮 带 顺 槽 反 掘 巷 雷 达 剖 面 图 4 结 语 针对 日前巷道 掘 进 前 方 隐伏 灾 害 源 探 测难 题 ， 本文将 毖 于 地 质 雷 达 方 法 的 煤 巷 超 前 地 质 探 测 方 法应 用 在 潞 安 集 团 常 村 煤 矿 ， 从 实 际 程 应 川 m 发， 对皮带顺 槽 反掘 巷进行 地质 雷达 超 前地质 探 测 。雷 达 数据 解释 结 果 表 明 探 明反 掘 巷 侧 帮 及 迎 头 面地 质 构造 情 况 、 确 定 8个煤 ／ 岩 性 变化 带 、 2个 破 碎 和裂 隙 水 区 域 的 位 置 和 深 度 。通 过 掘 进 及 打 孔 验 证 ， 其 巾 的6 个煤 ／ 岩 性 变 化 带 、 2 个 破 碎 和 裂 隙水 区域得 到 了确认 ， 有 效避 免 了生 产 中可 能 出现 的事故 ， 对 乍产 具有 明显 的指 导意 义 。 ■■一 [1 ] [ 2] [3] [4] [7] [8] [9] [ 1 O ] [ 儿] 参考 文献 何 勇华． 采用探地雷达对隧道掌 子 面前方地质状况进 行超前 预报 [ J ] ． 金属矿⋯ ， 2 0 1 0 1 9 9 1 0 2 ． 张虎生。 【j 长为孙． 物探方法在地质灾害中的应用[ J ] ． 中国地质 灾害与防治学报 ． 2 0 0 3 ． 1 4 3 1 2 1 1 2 5 ． 王连 成， 高 克德． 李大 洪， 等． 地质 雷达探测掘进 工作 面前方 瓦斯突 出构造[ J ] ． 煤炭科学技术 ， l 9 9 7 ， 2 5 1 1 1 3 1 5 ． 刘立春． 岩溶隧道地质雷达超 前预测 预报技术[ J ] ． 水利 与建 筑工程学报 ， 2 0 0 8 ， 6 2 9 i - 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4 1 1 l 1 1 9 ． Zh u a n g J i e ， J i n Ya n ．Vi r u s Re t e n t i o n a n d t r a n s p o r t t h r o u gh AI o x i d e c o a l e d s a mt c o l u mn s e f f e c t s o f i o n i c s t r e n g t h a n d c o mp o s i t io n [ J ] ． J o u r n a l o f C o n t a mi n a n t f t y d r o l o g y ， 2 0 0 3 ， 6 0 3 4 ． 1 9 3 一 l 9 9 ． 米 米 米 来 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 上接第 l 4 5页 [ 2 4 ] 左群超 ． 杨东来 ． 冯艳芳 ， 等． 数据项 下属词规定[ M] ． 北京 地 质 出 版 社 ． 2 0 1 2 ． [ 2 5 ] 国 土 资源 部．固体 矿产 地 质 勘 查规 范 总 则 GB ／ T1 3 9 0 8 2 0 0 2 I s ] ． 2 0 0 2 ． [ 2 6 ] 国土 资 源部．固体 矿产 勘 查／ 矿 l 上 l 闭坑 地 质 报告 编 写 规 范 D Z ／ T 3 3 2 0 0 2 [ [ s ] 。 2 0 0 2 ．