煤矿掘进巷道地质雷达超前探测数值模拟及应用.pdf

仇念广. 煤矿掘进巷道地质雷达超前探测数值模拟及应用[J]. 矿业安全与环保,2019,46542-46. 文章编号1008-4495201905-0042-05 应应应用用用技技技术术术 煤矿掘进巷道地质雷达超前探测数值模拟及应用 仇念广 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039 摘要基于电磁波传播理论和时域有限差分原理,通过开展正演模拟,分析了地质雷达的反射响应 特征,进一步表明地质雷达应用于煤矿掘进巷道超前探测中的有效性。 在新景矿针对已知地质异常进 行雷达探测,依据探测结果并结合正演结果,总结了 10 种地质异常或现象的地质雷达反射特征。 以此 为基础开展应用试验,地质异常体探测准确率可达 89,地质雷达在煤矿掘进巷道超前探测中的应用 效果进一步得到提升。 关键词煤矿;掘进巷道;地质异常体;超前探测;地质雷达;时域有限差分;正演模拟 中图分类号TD163;P412郾 25摇 摇 摇 文献标志码B 收稿日期2018-11-20;2019-01-22 修订 基金 项 目 国 家 “ 十 三 五冶 科 技 重 大 专 项 课 题 2016ZX05045004-007 作者简介仇念广1984,男,山东济宁人,硕士,工程 师,主要从事地球物理勘探方面的研究工作。 E - mail qiunianguang126. com。 Numerical Simulation and Application of GPR in Advance Detection of Coal Tunneling QIU Nianguang CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China AbstractBased on the electromagnetic wave propagation theory and FDTD, forward modeling was carried out to analyze the reflection response characteristics of geological radar, it further showed that GPR was effective in advance detection of coal tunneling. Radar detection of known geological anomalies was carried out in Xinjing Coal Mine, based on the detection results and forward modeling results, 10 GPR reflection characteristics of geological anomalies or phenomena were summarized. As the application test carried out on this basis, the detection accuracy rate of geological anomalies can reach 89, the application effect of GPR in advance detection of coal tunneling is further improved. Keywordscoal mine; tunneling; geologic anomaly; advance detection; GPR; FDTD; forward modeling 摇 摇 近年来,煤矿开采所面临的地质灾害问题日益 严重[1-2]。 在煤矿巷道掘进过程中,地质条件复杂 多变,目前主要采用瞬变电磁、直流电法、地震波与 地质雷达等技术进行超前地质探测[3]。 其中,地质 雷达具有高分辨率、高效率、强抗干扰性、宽频带、无 损探测和应用灵活方便等特点[4],探测准确率可达 80 [5],对于煤矿井下巷道有限空间、恶劣环境更有 效、实用。 地质雷达多用于隧道超前探测、路基或桩基检 测等工程领域,在煤矿井下的应用相对较少。 至今, 国内主要有中煤科工集团重庆研究院有限公司和中 国矿业大学北京两家单位开展相关研究工作,分 别研制出 KDL 系列、KJH-D 型和 ZTR 系列 3 种装 备。 自 20 世纪 70 年代以来,高克德[6]、邵雁[7]、宋 劲[8]等开展了煤矿掘进巷道地质雷达超前探测的研 究;梁庆华等[9]研究了地质雷达在瓦斯富集区探测 中的应用;PENG Suping 等[10]进一步研究了地质雷 达在煤矿探测中的处理分析方法。 目前,掘进巷道 地质雷达超前探测的应用多参考工程领域的成 果[11-12],但受限于煤矿井下掘进巷道的有限空间, 其具有自身的独特性。 以电磁波传播理论和时域有限差分原理为基 24 Vol郾 46 No郾 5 Oct郾 2019 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety t 为双 程旅行时间,s;x 为发射天线与接收天线的间距,m。 波速 vc/着r,其中 c 为电磁波在真空中的传 播速度,m/ s;着r为介质的相对介电常数。 一般波速 可参考岩石的相对介电常数计算得到,实际应用中 可通过井下实测获得。 2摇 FDTD 时域有限差分数值模拟 地质雷达的理论基础为麦克斯韦电磁场理论。 K. S. Yee 提出了 FDTD 时域有限差分法,即以 Yee 元胞为基础,对空间变量离散化。 二维空间的电磁 场,可分为由 Ex、Ey和 Hs组成的 TE 波,由 Hx、Hy和 Es组成的 TM 波,其中 TM 波为 坠Ex 坠t 1 着 坠Hy 坠y -滓E x 坠Ey 坠t - 1 着 坠Hx 坠x 滓E y 坠Hz 坠t 1 滋 坠Ex 坠y -坠Ey 坠x -滓mH z 3 式中E 为电场强度,V/ m;H 为磁场强度,A/ m;滋 为 磁导率,H/ m;滓 为电导率,S/ m;滓m为等效磁阻率, 赘/ m。 则 TM 波的 FDTD 形式为 En1 x i 1 2 , j CA i 1 2 , j En x i 1 2 , j CDCB i 1 2 , j Hn 1 2 z i 1 2 ,j 1 2 -Hn 1 2 z i 1 2 ,j- 1 2 En1 y i,j 1 2 CA i,j 1 2 En y i,j 1 2 CDCB i,j 1 2 Hn 1 2 z i- 1 2 ,j 1 2 -Hn 1 2 z i 1 2 ,j 1 2 Hn 1 2 z i 1 2 ,j 1 2 Hn- 1 2 z i 1 2 ,j 1 2 CD En x i 1 2 ,j 1 -En x i 1 2 , j En y i,j 1 2 -En y i1,j 1 2 4 式中摇 CAi,j 1-滓i,j驻t 2着i,j 1滓i,j驻t 2着i,j ; CD 驻t 驻d 1 着0滋0 ; CBi,j 着0 着i,j滓i,j驻t 2 ; i、j x、y 方向上的网格号; 驻d 正方形网格步长,m; 驻t 时间步长,s。 在二维空间中,为保证差分方程解的稳定性,在 数值模拟时,所取的时间步长 驻t,以及空间步长 驻x、 驻y 要满足式5 [14] 驻t臆 1 vmax 1 驻 x 2 1 驻 y 2 5 最大速度 vmax一般可取真空中的速度 c,空间网 格步长可取正方形网格步长 驻x 驻y 驻d。 则时间 步长为 驻t臆 驻d c 2 6 时域有限差分中,离散网格化后会产生色散现 象,且网格越粗色散现象越严重。 为削弱色散现象, 可减小网格步长,但运算量大、时效性差。 因此,网 格步长的设置需谨慎,Taflove 建议一般取不超过电 磁波最小波长的 1/10 为宜,即 驻d臆姿min 10 7 34 第 46 卷摇 第 5 期 2019 年 10 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 断层 模型 B 在 25 m 处设置宽 0郾 2 m 的断层破碎带,之后 为泥岩;陷落柱模型 C 在 25 m 处设置陷落柱;煤岩 界面模型 D 在25 m 处设置煤岩界面;空巷模型 E 在 25 m 处设置宽 4 m 的空巷;充水空巷模型 F 在 25 m 处设置宽 4 m 的充水空巷。 3郾 2摇 数值模拟参数 雷达主频 f0为 50 MHz,模型介质的电性参数如 表 1 所示。 模拟的最高频率为主频的 3 倍[15],由此 可确定最小波长,由式6、式7可算得各模型的 网格步长和时间步长。 因此,经计算本次正演模型 的网格步长设定为 0郾 02 m。 50 MHz 天线间距 2 m、 100 MHz 天线间距 1 m,天线移动步长 0郾 2 m,60 m 长模型的时窗 1 000 ns,50 m 长模型的时窗 700 ns。 表 1摇 模型中介质的电性参数 介质种类相对介电常数电导率/ Sm-1相对磁导率 煤30郾 000 11 空气101 水810郾 51 断层破碎带250郾 0031 陷落柱300郾 0251 泥岩70郾 0101 3郾 3摇 正演运算及结果分析 基于上述正演模拟参数,设置 PML 边界条件, 利用 GprMax 软件和 MATLAB 平台,设定程序,得到 最终的正演模拟成果,如图 2 所示。 图 2摇 各模型正演模拟结果 摇 摇 模型 A 设置 50 MHz 和 100 MHz 2 种不同的主 频,其正演结果有着明显差异。 对于 50 m 处的断层 破碎带,50 MHz 的结果响应明显,而 100 MHz 的无 明显反射。 并且 50 m 处的响应不如 30 m 处的响应 强。 可见,50 MHz 理论上能够有效探测 50 m 处异 常,100 MHz 理论上可有效探测 30 m 处异常。 44 Vol郾 46 No郾 5 Oct郾 2019 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 而由煤层进入空巷中,相对介电 常数由大变小,呈现为负相位特征。 因此,通过雷 达信号的相位变化也可进一步解释前方未知地质 异常。 地质雷达的正演模拟结果,进一步表明地质雷 达在煤矿井下掘进巷道超前探测中的有效性。 为地 质雷达在煤矿掘进巷道超前探测的地质解释提供了 一定的理论支持,可提高地质解释分析的精度和准 确性。 4摇 应用实例 在山西新景矿,优选了井下现场施工条件较好 的已知地质体进行雷达探测,如断层、陷落柱、空巷、 破碎带等。 并尝试了煤壁平整度差、天线与煤壁耦 合条件差、金属干扰、采集信号丢失等干扰现象。 其 探测成果如图 3 所示。 摇摇摇摇 摇 摇 摇 摇摇 a断层摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 b陷落柱摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 c煤岩界面摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 d空巷摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 e破碎带 摇摇摇摇 摇 摇 摇摇 f正常煤体摇 摇 摇 摇 摇摇 g平整度差摇 摇 摇 摇 摇摇 h耦合性差摇 摇 摇 摇 摇摇 i金属干扰摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 j信号缺失 图 3摇 各种地质异常或现象的地质雷达反射特征 摇 摇 结合正演结果可知以下 10 种情况的煤矿掘进 巷道地质雷达超前探测的反射特征 1正常煤体理想状态下介质均匀,应无反射现 象,但井下掘进工作面受掘进活动影响,表层煤体 破碎,因而表现为反射波连续、均一,呈有规律缓慢 衰减; 2断层存在一定程度破碎,且断面两侧煤岩电 性差异大,则表现为强振幅反射,同相轴连续,能量 衰减快; 3陷落柱的反射特征类似断层,表现为强振幅 反射,同相轴连续,但陷落柱内部岩体破碎,后续存 在一定的反射,表现为能量衰减较快; 4煤岩界面也与断层的反射特征类似,但表现 为中强振幅反射,同相轴连续,能量衰减较快; 5空巷与煤体存在2 个接触面,则表现为强振幅 双反射或多次反射,同相轴连续,能量衰减较快;若空 巷存在积水,则表现为强振幅反射、能量衰减快; 6破碎带由于内部岩体杂乱,则呈现为杂乱反 射,能量衰减较快; 7当掘进工作面平整度较差时,采集脚印明显, 54 第 46 卷摇 第 5 期 2019 年 10 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 8天线与煤壁耦合性差时,则反射连续、均一, 强振幅延时较长; 9雷达探测中,现场存在金属干扰时,也呈杂乱 反射,但能量表现为有规律缓慢衰减; 10若探测过程中出现信号突然丢失时,则呈空 白条带。 依据上述地质雷达波形特征规律,在新景矿开 展了 30 次雷达探测。 共解释构造异常 19 个,其中 断层 3 个、陷落柱 7 个、空巷 2 个、破碎带 5 个、煤岩 界面2 个。 后期经验证,核实断层2 个、陷落柱7 个、 空巷 2 个、破碎带 4 个、煤岩界面 2 个,探测预报准 确率达89。 说明地质雷达在煤矿掘进巷道超前探 测中的应用效果进一步得到提升。 5摇 结论 1基于 FDTD 时域有限差分数值模拟能够有效 建立煤矿掘进巷道地质雷达超前探测的正演模型, 进行了正演分析。 2断层、陷落柱、煤岩界面、空巷、充水空巷的正 演模拟进一步验证了地质雷达在煤矿掘进巷道超前 探测中的有效性,50 MHz 频率探测距离可达 50 m, 100 MHz 可达 30 m。 3基于正演模拟成果和已知地质异常的超前探 测,总结了正常煤体、断层、陷落柱、煤岩界面、空巷、 破碎带、煤壁平整度差、天线与煤壁耦合性差、金属 干扰、信号丢失等 10 种地质雷达反射特征,并以此 为基础取得了较好的应用效果。 参考文献 [1] 张超林,彭守建,许江,等. 煤与瓦斯突出过程中气压时 空演化规律[J]. 岩土力学,2017,38181-90. 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