探地雷达应用于煤矿井下探测分析研究.pdf

中图分类号 U D C T D 8 2 6 2 2 学校代码 Q 星 旦 密级公珏 黑龙江科技大学l 燃煳炒蝉 硕士学位论文 探地雷达应用于 煤矿井下探测分析研究 A N A L Y S I SO F G R OU N DP ENE T R A T INGR A D A R U SEDINC O A LM INEDE T E C T ION 作者堂纯杰 申请学位王堂亟 学科专业墨芷王猩 答辩委员会主席量渔洹 导师肖福垃 培养单位童返皇坯墟王程堂随 研究方向送羞蚩签控制 评阅人鏖健 二O 一三年六月 学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 论文的公布 包括刊登 授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 作者签名张纥泰 2 p ／弓年g 月J 8 日 导师签名 ≥田l 弓年s 窍I 雹日 论文审阅认定书 研究生张纯杰在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指导下 独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为 我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学 位申请论文送专家评审。 新签名南研 汕l3 年6 具| 寒日 致谢 本论文是在肖福坤教授的悉心指导下完成的，在撰写过程中，无不凝聚了导 师、同学和师弟们的帮助和支持。 在论文完成之际，首先衷心感谢导师肖福坤教授。研究生学习期间，肖福坤 老师不辞辛劳地悉心指导，并适时地给予建议及鼓励，为我的学习和研究倾注了 大量心血。他渊博的学识、深邃的洞察力和敏锐的思维使我受益匪浅，同时在生 活上给予了我关怀和帮助。同时也感谢的是陪同我在深部开采与冲击地压重点实 验室学习了两年的师弟们，师弟们在我的学习和实验工作中给了我很大的帮助， 使我的思路得以开阔，使我的学习研究更加顺利。在此谨向我的恩师和师弟们致 上最诚挚的谢意。 在黑龙江科技大学学习的时间里，一直得到了资源与环境工程学院、研究生 院的领导和老师所给予我在学习、工作、生活方面的关心、支持和帮助，在此表 示衷心地感谢 谨以此文献给关心我的学习和成长的人，感谢你们为我所做的一切 三年学 业期间，他们对我寄予极大的期盼和厚望，在精神和物质上的关怀和支持给了我 莫大的鼓励。 再次感谢所有给我帮助和鼓励的人士和单位 最后感谢各位评审老师在百忙中抽出时间对我论文的评阅 摘要 探地雷达 G P R 技术作为一种较新的地球物理探测方法，在近十几年的时间 内逐渐成熟起来。探地雷达方法在众多的物理探测方法中占据重要地位，在浅层 地质调查中的应用前景是非常广阔的。 我国煤层赋存条件较差，经常会遇到复杂的地质异常情况。目前，较常用的 钻探手段成本高、效率低下，不能准确全面的反映地下异常地质构造的分布形态 和规模。探地雷达技术具有操作简单快速、测量准确和无损探测等优点。本文介 绍了探地雷达技术的历史发展过程、煤矿井下应用现状、探测原理、测量方法， 以及所采用的煤炭科学研究总院重庆研究院自主研发的K J H D 防爆探地雷达的设 备组成与主要性能指标，并分析了煤矿井下常见介质的介电常数、电导率等介电 特性。采用基于时域有限差分法F D T D F i n i t e ．D o m a i nF i n i t e ．T i m eM e t h o d 的探地 雷达图像模拟软件G P R m a X 2 D 结合M a t l a b 语言对煤矿井下探测过程中可能遇到 的异常体、断层、陷落柱、采空区或空洞和煤岩层产状变化带进行正演数值模拟。 应用K J H D 防爆探地雷达对煤矿井下掘进头、巷道两帮侧壁等进行了超前探测， 探测出了井下的断层构造、陷落柱边界、保安煤柱边界、煤层产状及巷道贯通距 离，经后期掘进证实，探测结果准确。 应用防爆探地雷达探测煤矿井下的异常地质构造是可行有效的。利用正演数 值模拟方法，结合探测现场的地质条件，对煤矿井下的典型异常地质构造进行数 值模拟计算。将正演模拟的结果与雷达探测结果图像进行对比解释，将有助于提 高解释的准确性和对井下异常地质构造的判断。 该论文有图5 5 幅，表2 个，参考文献5 1 篇。 关键词探地雷达；雷达原理；F D T D ；G P R m a X 2 D ；地质构造正演数值模拟 A b s t r a c t G r o u n dp e n e 仃a t i n g r a d a r G P R t e c l l l l 0 1 0 9 yi san e wg e o p h y s i c a lm e t l l o d s ，w ．h i c h 黟a d u a l l yb e c o m em a n l r ei nt h el a S tt e l ly e a r s ．G P Ro c c u p ya 1 1i m p o n a l l tp o s i t i o ni n m a I l yg e o p h y s i c ss u Ⅳe ym e t l l o d s ，t h a th a s s h a l l o wg e 0 1 0 百c a ls u Ⅳe y ． aV e 巧b r o a da p p l i c a t i o np r o S p e c t si n 也e ln eo c c u m m c ec o n d l t i o no fc o a li s q u i e tp o o ri nc h i n a ，w eo f j 鼢1e n c o u n t e rt h e s l t u a t l o no tc o m p l e xa b n o 册a lg e o l o 酉c a l 。C u r r e n t l Me x p l o r a t i o nd r i l l i n gm e a n st h a t h i 曲c o s t s ，i I l e 伍c i e n c ya I l dc a l l ’tr e f l e c tt l l ed i s t r i b u t i 彻f o ma n ds c 融ea cc u r a t l va n d c o m p r e n e n s l V J y a r em o r e c o m m o n l y u s e di nc o a l ． G r o u l l d p e n e t r a t i n gr a d a r t e c h n o l o g yh a sn l ea d V a n t a g e so fs i m p l ea n dr a p i do p 删i o n ，a c c u r a t em e a s u r e m e n t a l l dn o n 。d e s t n I c t i V ed e t e c t i o n 血也i sp 印e r ， am o r eC o m p r e l l e l l s i v ea n a l y S i s a I l d r e s e a r c ha b o u tG P R t e c h n o l o g yw i l lb es t l l d i e d ．I I l 扛℃d u c em eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n t ， m e t n o d so tm e a S u r e m e n t ， d e t e c t i o np r i n c i p l e ， a p p l i c a t i o n s t a t u si nc o a lm i n e r e s p e c t l V e l ya n de q u l p m e n tc o m p o n e n t sa I l dk e yp e r f b m l a n c ei n d i c a t o r so fK ．J H ．D e x p l o s l o n 。p r o o tg r 0 1 1 n d - p e n e 仃a t i n gr a d a rm a d eb y C h o n g q i n gi n s t i t u t eo fc o a I ． A n a i y s i st h ed i e l e c 埘cp r o p e r t i e so fc o m m o nm e d i u mi nc o a l s u c ha sd j e l e c t r i c c o n s t a n ta n dc o n d u c t i V i 够U s eG P R i m a g es i m u l a t i o ns o R w a r eG P R m a x 2 Dt h a tb a u s e d o nF D T Dm e t h o dt oC o m p l e t eN u I n 嘶c a lS i m u l a t i o no f a b n o m a lg e o l o 西c a ls t m c t u r e t t l a tm a yb ee n c o u n t e r e di nm ea d V a n c e dd e t e c t i o np r o c e s so fm ec o a l m i n e ．T h e r e s u l to fu s i I l gt l l e ⅪH - Dg r o u I l dp e n e 订a t i n gr a d a rt od e t e c t et h ef a u l ti nc o a lm i J l i n 羁 c o l I 印s ec o l u m nb o u I l d a r y ，s e c u r i t yc o a lp i l l a rb o l l I l d a 以a t t i t u d eo fc o a li nc o a lm i n e i na d v a n c e di sa c c u r a t e ． T h ea p p l i c a t i o no fe X p l o s i o n - p r o o f G P Rt od e t e c tm e g e 0 1 0 西c a ls 缸1 l c t u r ei n 血e c o 猷m i n ei sf e a S i b l ea n de ＆c 廿V e ．U s i n gt h em e 也o do fN m 两c a 】S i m u l a t i o n c a l c u l a t ea n dc o m b 询h gm er e “时g e o l o 百c a l c o n d i t i o n st oc a l c u l a t ea b n o n n a l g e o l 0 9 1 c a lu 1 1 d e rt 1 1 ec o a lm i n e ．A n d ，c o m p 撕n ga n de x p l a i n i n gm es i m u l a t i o nr e s u l t s a I l dt h el m a g eI n t e I p r e t a t i o no fR a d a rd e t e c t i o ni s h e l pt od e v e l o pt 1 1 ea c c u r a c yo f i m a g ei n t e 印r e t a t i o na n dg e 0 1 0 奢c a ls 锄l c t u r em o r p h 0 1 0 9 y ． K e y w o r d s G r 0 1 1 1 1 dP e n e t r a t i n gR a d a r ；R a d a rP 咖c i p l e ；F D T D ；G P R m a x 2 D G e o I o 百c a lS 姐】c t I l r e ；F o r w a r dN u m e r i c a lS i m u l a t i o n I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外探地雷达技术的研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 煤矿井下探地雷达技术的应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 本文的主要工作⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 探地雷达应用于煤矿井下地质构造探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 探地雷达勘探⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 ．1 ．1 探地雷达的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 ．2 探地雷达的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1 ．3 探地雷达的测量方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．4 探地雷达设备的组成与主要性能指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 煤矿井下常见介质的介电特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 介质介电常数的概念和物理意义．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 2 ．2 ．2 煤矿井下常见介质的介电常数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 雷达高频电磁波在煤岩巷中传播的衰减机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 煤矿巷道中雷达波的传播机制及雷达探测的工作方法⋯．⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．1 煤矿巷道掘进头超前探测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．2 巷道两帮探测方法⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯】7 2 。4 。3 巷道顶底板探测方法⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯2 0 3 基于G p r M a x 的探地雷达正演模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 探地雷达正演模拟概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 探地雷达数值模拟方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 时域有限差分方法的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 ．1 F D T D 的Y e e 元胞⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯，⋯．．2 2 3 ．3 ．2 M a x w e l l 方程F D T D 的差分格式．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．2 3 3 ．4 基于G p r M a x 的正演模拟相关技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．4 ．1 激励源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．4 ．2 离散步长⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 ．3 吸收边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．5G p r M a x 的输入输出文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 ．1 输入文件⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯2 8 3 ．5 ．2 输出文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．6 煤矿井下异常构造探地雷达图像模拟与识别⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．6 。l 煤矿井下典型异常体的正演数值模拟⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．6 ．2 煤矿井下断层的正演数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．6 ．3 井下陷落柱的探地雷达图像模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．6 ．4 井下采空区或空洞边界的探地雷达图像模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 。6 。5 井下煤层产状变化带的探地雷达图像模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 探地雷达煤矿井下的探测实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．1 煤矿井下探地雷达技术应用分析⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 探地雷达在断层构造探测中的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ，1 株柏矿四采区工作面超前探测试验⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．2 株柏矿3 0 2 4 工作面切眼超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．3 探侧试验小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 地质雷达在工作面前方陷落柱边界探测中的应用研究⋯．．．．⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ，l 王楼矿六采3 煤集中轨道巷G 6 点前2 9 m 处超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 ．2 王楼矿六采3 { } 煤集中轨道巷G 6 点前5 4 m 处超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3 ．3 探测试验小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．4 地质雷达在煤矿采空区或空洞边界探测中的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．4 ，l 田庄矿西翼回风巷掘进巷道左帮超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 ．2 田庄矿一采区轨道上山工作面超前探测试验⋯⋯，⋯⋯⋯，⋯⋯⋯．⋯．．5 1 4 ．4 ．3 探测试验小结⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．5 2 4 ．5 地质雷达在煤层产状变化带探测中的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．5 ，l 株柏矿1 2 0 3 工作面切眼超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．5 ．2 探测试验小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．6 本章小结⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 T V 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 5 ．2 论文不足及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 V 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究的背景及意义 煤田地质构造往往比较复杂，在煤矿建设和生产过程中如果不能及时探明常 常会引发事故，例如瓦斯突出、地下水突出和采空区塌陷等。对煤矿井下的异常 地质构造进行探测，人们用过的手段方法多有不同。对于埋藏深度较浅的煤层可 以通过观察地表露头作出判断，当埋深到达一定深度这种方法便不能奏效。钻探 手段是过去几十年比较直接的勘探手段，但是有其局限性，以点代面不能准确反 映地表下异常构造的规模和几何形态。以煤矿断层的探测为例，传统探测方式是 通过向断层的垂直方向打钻孔，这不仅效率低、成本高，还能对围岩的整体稳定 性造成破坏。这也是随着科技的发展，煤矿领域不能继续接受的。所以，根据煤 矿井下的工作条件，我们需要一种操作容易、高效快捷的探测设备。 探地雷达 G P R 方法是作为物探方法中比较重要的一种探测技术，近些年 发展迅速，得到很大程度的推广使用n 1 。探地雷达通过发射天线发射高频电磁波， 电磁波在介质中传播时遇到存在介电性差异的其它介质会在交界面产生反射波， 并被接收天线接收。由于地下介质的电磁参数不同，会引起雷达反射回波信号振 幅、波形和频率等参数的变化。根据反射波的运动学特征可以推断地下地质构造 的结构形态。 图卜1 探地雷达原理示意图 F i 舒n ．e1 1S d L 锄a t i cd i 雄掣l mo fm eg r o m l dp e n e 廿a t i n gr a d a r 起初的地质雷达设备体积庞大，操作复杂，随着电子技术的不断发展，人们 对地质雷达进行了多次技术改进。现在的探地雷达具备抗干扰、高分辨率、操作 方便快捷和无损探测等优点，逐步被被应用到矿山领域。探地雷达可用于矿井掘 进头前方3 0 ～5 0 米范围内的断层构造、陷落柱、溶洞、裂隙带、采空区、含水 带等地质构造的探测，也可用于探测地面之上的目标体。 本文主要研究的是作为物探技术主要手段之一的地质雷达及其发出电磁波 遇到存在物性差异地质构造时的反射规律。地质雷达 C 的u 1 1 dP e n e 仃a t i n gR a d a r 1 硕士学位论文 的探测基于地下待探测目标体的介电性差异。例如，在探地雷达的最大探深范围 内能够探测煤岩层分界面位置、突出的瓦斯及地下水和异常体等。总之，要实现 探地雷达在煤矿领域的广泛使用，我们还需要进一步掌握探地雷达技术。而更好 的掌握这种技术还需要我们进行更多的探测实践，建立更全面的地电模型，总结 更合理的探测方法。 1 ．2 国内外探地雷达技术的研究概况 探地雷达概念于1 9 1 0 年被正式提出。由于军事中需要对飞机、舰艇等目标体 的速度和位置进行实时测定，最初雷达技术装备的研制是为了服务于军事领域。 雷达探测具备较高的准确性，经过后期的不断改进逐渐被应用于工程领域，探地 雷达便是针对地下工程领域的探测需要而研制的同探空雷达或者通讯雷达的原 理类似，探地雷达也是利用雷达天线发出的高频电磁脉冲波遇到不同介电性的目 标体后产生反射回波来判断地质构造的晗 ，探地雷达是从地表向地下发射高频脉 冲电磁波来实现探测的，故亦称之为地质雷达。据报道，在不同的地质条件下， 探地雷达的最大探测深度一般在3 0 ～5 0 m ，分辨率可达几厘米，深度符合率在5 厘米以内。 7 0 年代初期，我国才开始对探地雷达仪器进行研制。长期以来，已经有很 多院所及组织对探地雷达展开了研制工作，同时进行了大量的雷达野外的探测试 验。并且当时研究人员获得了一定的研究成果。当时所使用的探地雷达天线是同 点式的，地质雷达接受来自界面的反射回波是靠较高频率的示波器显示出来的， 然后直接读取记录的数据或者照相记录雷达波形。但是最终由于各种复杂的原因， 这一项技术未能在现实生活中得到正式应用。现在，很多相关部门诸如黄河水利 委员会、煤炭部门、水电勘测设计部门、国家地震局、铁道部门等有关部门以及 武汉辖区中国地质大学也都相继引进了国外的探地雷达仪器，关于探地雷达的理 论研究及现场应用被人们日益加强∞3 。 于1 9 9 1 年开始，中国地质大学就已经在国家自然科学基金的资助下，对探 地雷达检测地下目标体进行了相关的正反演研究工作。通过大量的物理模拟和正 反演数值模拟实验和计算工作，为探地雷达现场应用中的资料解释以及理论研究 的进一步深入奠定了一定的基础。为配合研究工作，中国地质大学自1 9 9 0 年开 始，便在两年半的时间内完成了国内5 类岩土对象的3 0 多个工程工区的现场地 质构造探测． 探地雷达方法是一种无损探测技术，可以安全地用于隧道工程建设、道路桥 梁建设及煤矿建设等现场。由于该类工作场地条件比较宽松，适合探地雷达这种 适应能力强的探测仪器 轻便快捷的特点 。探地雷达设计之初，尤其考虑了其对 1 绪论 电磁干扰的抵抗能力，无论在城市噪杂的环境下工作还是偏远的煤矿区，外界环 境都不会干扰到探地雷达的探测效果。探地雷达的探测深度和分辨率能够满足现 场的工程探测，且在探测现场即可直接提供实时雷达剖面记录图，而且图像清晰 直观，利于判断目标体形态。探地雷达的组成部件包括便携微机控制数字采集部 分、记录部分、存储组件和处理器。对于探地雷达这种轻便的仪器，在探测现场 仅需要3 人一下即可完成探测工作，而且工作效率高。当然，对雷达天线设置高 频率时，高频电磁波能量在地下介质传播的过程中的衰减剧烈，因而会出现在探 测较厚覆盖层下的目标体时，探测范围受到一定的限制H 1 。 1 ．3 煤矿井下探地雷达技术的应用现状 我国最早将探地雷达技术应用于煤田探测是在2 0 世纪7 0 年代，当时来自重 庆煤科院的煤田探地雷达研究小组，在全国各地区针对不同复杂程度的矿井进行 了大量的探测试验。最后成功研制出适于煤矿井下探测的仪器装备一防爆探地雷 达。诸如K D L 系列防爆探地雷达，采用了脉冲调制式体制。应用该系列防爆探地 雷达专题小组在煤矿井下开展了大量的现场探测工作，包括煤层产状探测、断 层构造探测、采掘面前方的瓦斯突出地质构造、采空区探测等等，为煤矿的建设 生产解决了很多难题瞄。随后，随着国外雷达仪器的成熟，我国科研人员借鉴国 外技术对探地雷达展开研究，国内的很多研究院所和科研单位以及高校都大量引 进国外的探地雷达。利用国外的探地雷达做了很多的现场探测。在煤矿领域的应 用还是比较广泛的，国内比较有代表性的研究人员有来自山东科技大学的刘传孝 等人，他的科研小组当时应用E K K 0 4 2 地质雷达在矿山领域进行了大量的探测试 验。例如，探测出了兖矿的煤矿井下断层构造、采空区和煤层产状等。经过一段 时间的应用研究人员们初步认可雷达用于地质构造探测的可行性． 通过对电磁理论与介质之间关系的研究，可以知道对于存在巨大介电性差异 的煤层与周围岩层，通过雷达波的反射可以明显的反映出来m j 。原煤与周围岩性 想比，其电导率比较高，而且在长时间的自然烘烤下，内部及表面的含水率大大 降低，而且长时间自然作用后煤层的电导率也会降低。国内宋雷等人曾经做过很 多相关的探测试验。还有不少学者通过建立地电模型来研究探地雷达，大多采用 时域有限差分法 F i n i t e ．D o m a i nF i n i t e ．T i m eM e 也o d 。通过大量的数值模拟实验， 建立了波形与构造几何形态的匹配关系。 尽管国内较早的将探地雷达技术应用于煤矿井下异常构造探测，而且验证了 其可行性。但是人们对于这种探测技术的掌握还是不够的，包括探测方法、图形 识别、探测前雷达参数设定等。所以，需要更多的实践探测与正演数值模拟，里 外结合总结出一套完备的探测参考书。甚至，需要将更多地学科联系起来优化地 硕士学位论文 质雷达，实现更高精度的探测。 1 ．4 本文的主要工作 雷达探测技术作为一种比较重要的物探手段，应用煤矿井下异常构造的超前 探测，对于保障我国煤矿建设和生产的安全性，以及进一步提高井下地质构造探 测水平都具有重大的理论和现实意义。本文的主要工作可以归纳如下 1 介绍了探地雷达在国内外的发展情况以及在国内煤矿井下的应用现状， 并从探地雷达基本原理、探测方法等方面初步介绍了探地雷达。“。 2 研究煤矿井下常见介质的介电特性，分析介质介电特性诸如介电常数、 电导率及导磁率的测量方法，研究了介质的电磁参数与雷达波在煤岩体中传播时 能量衰减的关系。结合电磁波理论证明了探地雷达应用于煤矿采掘超前探探的可 行性。 3 采用基于时域有限差分法F D T D 的雷达图像模拟软件G P R m a x 2 D 结合 m a t l a b 语言，分别对煤矿生产过程中可能遇到的地质异常体、断层、陷落柱、煤 层顶地板及产状变化带等井下异常地质构造建立正演模型并进行了数值求解，并 对正演模拟图像进行电磁波特征分析，总结出电磁波在不同介质中传播时的规律。 4 讲述本文所采用的ⅪH ．D 防爆探地雷达的设备组成和主要性能指标。并 应用ⅪH ．D 防爆探地雷达在株柏矿、玉楼矿和田庄矿进行了大量的针对性探测 实验阳3 ，同时结合探测现场的地质条件和正演数值模拟结果对雷达探测剖面图像 作出解释，判断出井下异常地质构造的规模和几何形态。 4 2 探地雷达应用于煤矿井下地质构造探测 2 探地雷达应用于煤矿井下地质构造探测 2 ．1 探地雷达勘探 雷达波本身是一种高频 1 0 M H z ．1 G H z 电磁波。进行探测实验时，探地雷达 通过发射天线向地下目标体发射高频电磁波，当电磁波遇到地表下介质交界面时 候会产生反射和透射现象，反射回波返回到地表时被雷达另一个天线接收。反射 回波信号的相关参数诸如振幅、波形和频率等，将因为地表下介质几何形态和介 电性质的差异而产生相应的变化。从而地表下介质构造的几何形态可以根据接收 到的反射回波的振幅幅值、能量变化、频率变化、旅行时间 双程走时 及波形 资料等进行分析推断。根据电磁波的合成原理，不同频率大小的正弦波可以合成 为任何脉冲的电磁波。所以说，探地雷达所发出的超高频电磁波在地表下介质构 造中的传播规律等相关知识是我们掌握学习探地雷达技术的基础和重点。 2 ．1 ．1 探地雷达的基本理论 由M a x w e l l 电磁理论可知，电场和磁场可以通过运动相互激发，电磁场总是 以光速向四周传播，形成电磁波而由近及远的传递。电磁场最基本的规律可由麦 克斯韦微分方程组来描述。该方程组的微分形式如下 矿E 一豢一k 2 1 矿H ／ 娑 2 2 口【 矿- B 0 2 3 矿D J | D 2 4 其中，E 为电场强度，单位为伏特／米 V ／m ；B 为磁通量密度，单位为韦伯 ／米‘ W b ／m 2 ；H 为磁场强度，单位为安培／米 A ／m ；J m 为磁流密度，单位为伏特 ／米‘ V ／m 2 ；J 为电流密度，单位为安培／米‘ A ／m 2 ；D 为电通量密度，单位为库 仑／米。 C ／m 2 ；p 为体电荷密度，单位为库仑／米。 C ／m 3 。 若介质具有均匀各向同性的性质，则其电磁性质满足如下本构关系 D ￡E B H H j o E J m a m H 2 5 2 6 2 7 2 8 硕士学位论文 冥中，￡为介电常数，单位为法拉／米 F ／m ；弘为磁导系数，单位为亨利／米 H ／m ；o 为电导率，单位为西门子／米 S ／m ；o m 为磁导率，单位为欧姆／米 Q ／m 。 将麦克斯韦方程 公式 2 1 至 2 4 的偏微分形式进行等效积分得到 如下公式 噬E - d 2 睡警仍 2 9 睡日- d f 唾 ， 箬 d s 2 一l o 虫D d s q 2 1 1 JC■ ’ 亚D d s o 2 1 2 JC 。 将上述时域方程与频域方程结合后，便可得到E 和H 的波动方程如下式 矿2 E y 2 E 2 1 3 V 2 H y 2 H 2 一1 4 其中Y 为传播常数，表达了在介质中传播时电磁波与介质特性的关系。且 y 2 f ∞邓一∞2 掣．∞为角频率，单位为弧度／秒 r a d ／s ，该式说明当介质介电 性发生变化时，会引起传播常数的变化。 在无源区域场中当被研究的模型需沿一个轴向或两个轴向不变化时，麦克斯 韦方程组的两个旋度方程可以有两组独立的标量方程组，分别是T M 波和T E 波。 关于T M 波 爱2 谚也 o 的方程组表示如下 鲁 一肛警一‰也 2 - 1 5 鲁 ∥等 ％影 2 一1 6 等一豢￡鲁 仃已 2 - 1 7 a xa v 。a t ⋯z 、。‘。7 关于T E 波 兰2 谚眨 o 的方程组表示如下 警 ￡鲁 盯反 2 _ 】8 警 一￡鲁一盯弓 2 - 1 9 等一鲁 p 警 ‰H z 2 2 0 2 ．1 ．2 探地雷达的工作原理 当探地雷达发出的高频电磁波传播到有介电性差异的介质界面或目标体时， 2 探地雷达应用于煤矿井下地质构造探测 会产生反射回波，探地雷达正是根据此原理而进行探测的。对目标体进行探测时， 探地雷达的其中一个天线向地下目标体定向发射高频脉冲雷达波，当脉冲雷达波 在传播过程中遇到存在电性差异 介电常数和电导率不同 的介质界面或目标体， 就会发生雷达波的反射和散射现象脚。。根据回波信号的波形形状、同相轴特征、 振幅幅值变化、半波长变化和频率变化等来分析和推断地下目标体的几何特征和 发育规模 如图1 所示 。探地雷达技术是一种较新的无损探测技术，而且探测精 度和分辨率都较高，可在煤矿建设和生产过程中推广使用。 T ．R ．T 。R ．T ．R ． 地面△△△△△△ 图2 1 探地雷达工作原理不意图 F i g u r e2 - lT h ew o r kp 血c i p l es c h e m a t i cd i a g m mo fm eg r o 恤1 dp e n e 仃a t i I l gr a d a r 如图2 1 所示，T 、R 分别为探地雷达的发射天线和接收天线，探地雷达发 出的高频电磁波遇到介质界面产生反射现象，雷达回波被雷达接收天线R 接收， 经过信号处理可得到回波曲线，如下图所示。 点位／m 双 程 时 间 t 0 图2 - 2 探地雷达记录的回波曲线 F i g u r e2 2T h ee c h oc u r v eo fg r o l l I l dp e n e 廿a 【t i l l gr a d a rr e c o r d 如图2 2 所示，横轴为测线布置方向，测点沿着测线均匀布置；纵坐标为雷 达回波的双程走时。根据记录的时间和相对介电常数可计算出探测目标体的埋藏 深度H H 是 2 - 2 1 其中，t 为雷达波的反射时间 t ；c 为在真空中雷达波的播速 0 ．3 m ／n s ；￡r 为 硕士学位论文 介质相对介电常数均值。 电磁波在介质传播的过程中，在不同电性介质的界面会产生反射和透射现象。 目标体与周围介质的介电性差异越大，反射或散射能量就会越大，探地雷达系统 识别程度就会越高，反之亦然。所以说应用探地雷达探测目标体是否可行有效取 决于介质的电性差异。而反射回波的强弱直接关系对目标体界面的分辨程度⋯。 反射系数r 是决定反射波能量大小的关键因素。由于探地雷达两天线间距相 对于探测距离要小的多，可以忽略不计8 ，≈瓯≈o 。如图2 3 所示。 图2 3 电磁波在介质分界面反射示意图 F i g l l r e2 - 3S c h e I n a t i cd i a g r a mo fm ee l e c 仃o m a g n e t i cw a V er e n e c t i o ni I lm em e d i ai I l t e r f a c e 根据涅菲尔公式有 r 型 2 2 2 z 2 z l j 其中，z 1 表示介质1 的波阻抗，z 2 表示介质2 的波阻抗。 z f 上当 2 2 3 ～D 十J ∞￡ 其