地质雷达探测技术在煤矿的应用.pdf

2 东 媳差 斜技 2 0 0 9 年 第1 期 地质 雷达探 测技 术在煤矿 的应 用 夏常春 大同市杏儿沟煤业有限责任公司， 山西 大同0 3 7 0 0 0 摘要对地质雷达探 测技术工作原理进行 了阐述， 分析 了地质雷达的工作特性， 列举 了在煤 矿其应用实例 ， 指 出了其存 在的不足之处。 关键词地质雷达探测应用 中图分类号T D 文献标识码B Th e Ap p l i c at i o n o f Gr o u n d Pe n e t r a t i n g Ra d a r De t e c t i o n Xi a Ch a ． gCh u n X i n g E r G o u C o a l I n d u s t r y C o ． L t d ． o f D a t o n g ， S h a n x i ， D a t o n g 0 3 7 0 0 0 Ab s t r a c t T h e g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r d e t e c ti o nt e c h n i q u eⅧwid e l y u s e di n c o a lmi n e ．T h ew r i t e r d e s c r i b e di t swo r k i n g p r i n c i p l e a n d a n a l y z e di t sW f e a t u r e ，t h e n e n u me r a t e d s o me e x a mp l e a p p l i c a t i o n s ，a n dl a s t l yp o i n t e d o u ti t s d e fi c ie n c y． Ke y wo r d s g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ；d e t e c t i o n；a p p l i c a tio n ’ 查清影响矿井生产的各种地质条件 ， 为矿井生产和 安全提供地质保障， 已成为煤矿企业的迫切需求 ， 矿井地 质雷达探测技术是煤矿井下超前探测的有效手段。 1 地质 雷达探 测方法 的原理 地质雷达探测技术是 目前分辨率最高的工程地球物 理方法 ， 它是近些年迅速发展起来的一种用于确定地下介 质分布的广谱电磁技术。其工作原理是基于不同岩土介质 电磁波阻抗的不同， 电磁波在地质体中传播时遇到波阻抗 变化界面会发生反射 ， 根据接收到的反射波的走时和波相 可推断界面的位置和性质。当相邻的结构层材料的电磁特 性不同时， 就会在其界面间影响射频信号的传播， 发生透射 和反射。电磁波在地层系统内传播的过程中， 每遇到不同 的结构层， 就会在层间界面发生透射和反射， 由于介质对电 磁波信号有损耗作用， 所以透射的雷达信号会越来越弱。 地质雷达探测系统主要 由天线、 发射机 、 接收机、 信号处理 机和终端设备 计算机 等组成。见图 1 。 图 1 矿井地质雷达探测原理 2 矿井地质雷达探测范 围与设备特点 在煤矿采掘过程中， 经常遇到复杂的地质异常现 *收稿日期 2 0 0 8 1 1 1 2 作者简介 夏常春09 6 8 一 ， 男， 内蒙商都人， 河北煤炭建筑工程学 院毕业 ， 大 同市杏儿沟煤业有 限责任公司从事技术工作 。 象， 给正常的采掘生产带来困难甚至影响安全， 尤其是 在穿越老空区、 软弱破碎带 、 岩溶区、 煤与瓦斯突出危 险 的区域 ， 若事先不能探查 清楚往往造成塌方 、 涌水或 煤与瓦斯突出事故， 影响矿井的安全生产。在地面工 程地质勘探中， 要求实施大面积、 高密度精查勘探， 这 就对地质探测手段提出了高要求 。 地质雷达探测技术始于 2 0 世纪 6 o年代， 经过不 断的研究发展 ， 已经实现 了单 点探测 和连续探测 实时 自动成图。国外的地质雷达探测均为单脉 冲雷达， 其 特点 是发 射 信 号 为 高压 脉 冲， 工 作 频 率 为 5 0 1 0 0 0 M H z ， 分辨率高， 但是， 设备不易满足矿井防爆要 求。由于地层对电磁波的衰减随工作频率的升高而增 大， 低频段多用于探测衰减较大的地下 目标或远距离 目标 ， 而高频段多用于衰减小的地层中的探测、 浅部或 表 面探测 。由于中间频段既有 较大 的探测距离 又兼顾 了分辨率， 所以多用于普查勘探， 而高频段和低频段多 用 于详查 、 精查勘探或针对性较强的探测 。 3 矿井地质雷达探测应用 地质雷达探测布置方法比较灵活， 根据具体情况 布置一些测点、 测线或网格。在测线、 网格上的点距一 般为2 5 0 m， 根据具体情况和需要灵活改变。若勘探 工程量大 ， 应首先在 室内设计 。应用 地质雷 达探测技 术可在巷道掘进工作面及采煤工作面内的任意方向探 测， 对同一目标可以改变方位角或仰俯角探测。在进 行资料整理和地质解释时除根据波形的特征判断目标 性质外， 还应注意追踪回波在横向和纵向上的延续和 变化， 对应展现出地质构造在平面和剖面上的形态。 尤其是在地面进行大面积勘探时， 小的孤立 目标在平 面上不易追踪， 这时可采用横向的衰减对比处理解释 方法， 只要在勘探时有足够的控制密度就可以找到突 变点， 即目标所在位置。 开滦矿务局范各庄矿使用地质雷达探测技术成功 2 0 0 9 年 第1 期 夯 晨 斜技 3 探测出未知陷落柱。范各庄矿北翼采区2 0 8 运输乙巷 沿 l 2 号煤层掘进， 位于井 口高水位区， 其水位 比周围 高 7 0 m， 在地质雷达跟踪探测 中出现了与已知陷落柱 相似的波形 ， 因此提出前方有一大的破碎带， 初步判断 是陷落柱， 随后停止掘进， 再次进行地质雷达详探确 认， 同时进行钻探 2 m m孔 验证。先沿煤层打验 1 O 孔， 在 3 8 m处见岩石， 在 l 1 9 m处又钻入煤层 ， 1 2 5 ． 4 3 m 处终孔。由于小钻头钻进取芯很少， 难以对岩石准确 判断， 后在煤层中打验 I 1 孔， 钻进 2 4 m进入煤层顶板， 一 直钻到 6 0 m层位仍然正常。据此钻探结果并经分 析 ， 有人 认为 前 方有 两条 断层 ， 地 质雷 达探 测 的结 果 是 前方界面呈弧形分布， 而且 出现了陷落柱的波形， 因此再次确认前方有一个新的陷落柱， 编号 1 2 ， 验 1 0 孔打到的 l 1 9 m是其另一个边界 ， 其长轴长约 5 0 m 。后 来 由于 1 2号煤的煤质松软， 验 1 l 孔出水量有逐渐增 大的趋势 ， 据此巷道附近的地面钻孔资料， l 2号煤层底 板砂岩水压高达2 MP a ， 后又经过对公有的几块岩芯仔 细鉴定 ， 认为是上覆的9 号煤层底板， 所以认为是陷落 柱的结论是正确的， 随后该处用三道水闸墙封堵， 后退 绕行掘进 ， 避免了一次透水事故。 4 结束语 地质雷达超前探测地质构造技术在我国煤矿生产 过程中已经得到了广泛的应用 ， 并且取得了长足的发 展， 但是地质雷达也有其局限性， 在 以下 3个方面有待 于进一步提高。 1 探测距离与分辨率的矛盾无法克服； 2 多次波及其他杂波干扰严重， 原始记录的信 杂比低 ， 有效波的识别及其成果解译十分困难； 3 所获得的被探测对象的空间信息量太少， 其 资料成果的解释往往存在多解性。 上接第 1页 离层和垮落进行一次观测， 观测高度为 顶煤或岩层垮落处 向上 l O O m， 主要 采用全景探 头观测 顶板岩层 的影响高度 ， 必要时采用前 视探头 或测绳 带 有测钟 观测记录冒空区的高度； 同时在孔 口处用风表 测量钻孔的进风量 。 5 在工作面推过钻孔 l O O m以后 ， 随着工作面的推 进 ， 根据需要进 行钻孔 的后续观测 ， 掌握顶板岩层 的 冒 落塌实 及对 地 表 的 影响 的状 况 ， 观 测 频率 为每 5 0一 l O O m观测一次直至工作面结束。 在整个观测过程 中， 观测记录顶煤 、 顶 板岩层 的离 层、 掌握特厚煤层采空区冒落高度和范围， 分析其与工 作 面位置 的关 系 ， 得 出矿山压力显现及岩层运动规律 。 1 ． 2 ． 3 观测结果分析 数字摄像钻孔的观测显示 ， 当工作面已经推过钻 孔 1 2 7 m后在顶板上方 2 0 1 2 0 9 m间仍存在约 0 ． 7 m的 空洞 ， 直到推过钻孔至 2 0 3 m时 ， 在顶板上方 2 7 4 m处空 洞才减小为 0 ． 1 m， 过钻 孔 2 1 2 m后消 失。表 1显示 了 钻孑 L 破坏已发展到超过 3 0 0 m的情况。分析钻孔摄像 获得的信息， 认为钻孔超前工作面煤壁 2 1 ． 5 m时， 顶板 上方4～ 9 m开始产生竖向裂隙， 表明在超前压力作用 下， 顶板已经开始被破坏； 超前 1 5 m时， 顶板上方 3 0 m 内产生水平和竖向裂隙， 并发现钻孔有进风现象， 说明 裂隙发展增大 ， 与工作面采空区沟通； 超前 5 m时， 顶板 产生水平错动， 高度达到 4 5 m左右； 接近工作面位置 时， 顶板产生离层错动， 且有折断现象， 宏观观测的结 果与理论计算基本吻合； 直接顶垮落高度较大， 达到 5 5 ～ 6 0 m 从底板算起 。总的来说， 工作面采高范围大， 顶板超前工作面产生水平运动 ， 当接近工作面时， 产生 离层、 折断， 运动加剧。实测曲线如图 1 所示。 表 1 数字钻孔破坏情况 工作面采过 工作面采过 破坏情况 备注 钻孔位置， m 钻孔位置， m 2 ． O 4 0 ． 0 破坏 1 2 ． 5 5 6 ． O 破坏 1 9 ． O 6 2 ． 0 破坏 2 7 ． 5 7 7 ． O 破坏 6 1 ． 5 1 5 1 ． 5 破坏 l 2 7 ． 0 2 ∞． 0 2 1 0 ． 0 破坏 存在约 0 ． 7 m空洞 2 o 3 ． O 4 破坏 空洞减小为 0 ． 1 m 2 1 2 ． 0 3 1 7 破坏 空洞消失 2 结束语 工作面与钻孔相对位 置M 图1 1 号钻孔塌落高度 曲线图 1 利用全景数字钻孔摄像可准确分析记录钻孔内 裂隙的产状、 深度及宽度， 地面直观观测顶煤、 顶板岩 层的离层和垮落。 2 通过地面钻孔观测 ， 掌握了顶板塌落高度及变 化范围， 为特厚煤层放顶煤开采顶板活动规律研究和 安全开采提供了直观的基础数据。 3 该项 目可为进一步研究工作面上覆岩层活动规 律和地表沉陷提供基础数据和理论验证。