探地雷達在煤巷超前探測中的應用

王瑩 王勇強 邱德生 朱振龍 謝楓

淮南礦業集團地質勘探工程處，安徽 淮南 232001

探地雷達在煤巷超前探測中的應用

王瑩 王勇強 邱德生 朱振龍 謝楓

淮南礦業集團地質勘探工程處，安徽 淮南 232001

在煤礦井下煤層巷道掘進中，對掘進前方進行超前探測，從而預知掘進前方的煤層異常情況，對于保障安全生產、預防突發性事故的發生有著重要的意義。探地雷達探測技術是一種快速、高效、經濟、可靠的物探方法，將其應用于煤炭超前探測預報可以彌補超前鉆探的不足，有利于提高煤巷超前探測的效率和可靠性。

探地雷達； 煤系地層；超前探；保障安全

由于受到瓦斯、水、礦壓、頂板等煤礦災害因素的影響，我國煤礦井下煤層巷道掘進作業面臨極大的危害性。在施工前對掘進前方進行超前探測，從預知掘進前方的煤層異常情況，對于提前采取安全措施，保障安全生產，預防突發性事故的發生有著十分重要的意義。目前的超前探測手段主要采用鉆孔探測，存在施工工期長，成本高，施工中仍然存在安全隱患等不足之處。探地雷達技術具有無損探測、不破壞煤體、無需輔助工程、探測時間短（＜1h）、操作安全的特點，可較好彌補鉆孔探測的不足，有利于提高超前探測的效率和可靠性。

1.探地雷達煤巷超前探測原理

1.1 探地雷達基本原理

雷達源于Radar(Radio Deltection and Ranging)的音譯，原意是“無線電探測與測距”，即應用無線電方法發現目標并測定其位置。雷達技術最早由軍方研制使用，軍事上用它來發現并測定目標的位置和速度。隨著技術和社會需求的發展，雷達逐漸轉為民用。探地雷達是其中一個分支，在地質勘探領域內用于對地探測，查找目標地層以及地下異常體等目標體。近年來隨著微電子技術和信號處理技術的高速發展，探地雷達技術獲得了長足的進步，廣泛應用于工程地質調查、工程質量檢測、礦產資源勘查、水文與生態環境調查、地質災害探測、考古和地下掩埋物的探測等眾多領域，成為淺層地球物理勘探中一種重要的技術。

與對空雷達探測原理相似，探地雷達技術是一種定向高頻電磁波反射定位技術，它分辨定位異常目標體的基本物理原理是：發射定向高頻電磁波，依靠目標體和周圍介質之間的電性參數差異，使高頻電磁波發生反射回波，通過對儀器接受的反射回波分析來區分不同的介質和目標體，見圖1。其中，介質導電率和介電常數是2個關鍵的電性參數：介質導電率影響電磁波的探測深度，導電率越小電磁波探測深度越大；介電常數影響電磁波在介質中的傳播速度，介電常數越小電磁波速度越快。在探地雷達探測中，電磁波反射系數主要取決于目標體和相鄰介質的介電常數差異，差異越大反射系數也越大，儀器接收到的目標信號也越強。

圖1 煤巷掘進頭探地雷達超前探測平面示意圖

1.2 防爆探地雷達波在不同介質交界面上的反射特性和距離定位

與其它波一樣，電磁波在地下介質傳播過程中，遇到不同的速度界面時將產生反射波和透射波，入射波、反射波和透射波的傳播，都將遵守反射和折射定律。

雷達反射回波的強弱是我們分辨目標體界面的基礎。而目標體與圍巖之間的電性差異是否導致有足夠的反射或散射能量為探地雷達系統所識別是探地雷達探測目標體可行性的關鍵。

電磁波在介質分界面上，反射波能量的大小取決于反射系數r。由于探地雷達的天線間距相對探測距離較小，可以認為，如表1所示。根據菲涅爾公式，反射系數可簡化為下式：

ε1′－介質1的相對介電常數，ε2′－介質2的相對介電常數，對于常見的介質有1≤ε′≤81。

表1

反射系數值介于＋1和－1之間，其大小取決于反射界面相鄰兩層的相對介電常數。當相鄰兩層的相對介電常數相等時，反射系數r為0，電磁波不會反射。只有相鄰兩層的相對介電常數差異越大，則反射系數r越大，雷達接收信號越強。

實際應用中探地雷達所探測的地下物體經常具有不規則形狀，而且目標體大小不一。用探地雷達探測地下目標，不光考慮地下目標與圍巖的速度與電性參數差別，而且還應考慮目標的大小和形狀，從而全面考慮探測情況。

防爆探地雷達探測目標體的距離定位可通過下列公式來計算：

H－目標體離探測點的距離，v－雷達波在介質中的速度，t－雷達波在介質中的雙程走時。

1.3 探地雷達煤巷超前探測的可行性

探地雷達探測從某種意義上講屬于一種界面探測技術，煤礦巷道前方的異常構造實際模型可以簡化為對不同異常體界面的探測。我國煤礦的可采煤層厚度最小為1米，最大可達上百米，一般到多為2～10米。工作面掘進巷道大多寬2～5米，高2～4米。煤礦中常見的煤田地質異常體物理尺寸大多為十幾米，幾十米甚至更大，同時也存在很多小的瓦斯地質構造體，這些異常界面簡單來講主要是煤和非煤異常體之間的界面（非煤異常體主要是巖石，也包括水和空氣等）。因此，就煤礦井下情況而言，我們探測的大多是煤和非煤界面，電磁波的傳播反射方式可以簡化成平面反射。同時探測深度要求盡量遠（深度要達到幾十米），屬于深部探測，要求防爆雷達儀器天線中心頻率低，探測距離遠。

煤層的相對介電常數為2.3～3.6。而巖層相對介電常數一般為4～9，空氣中的相對介電常數是1，水中的介電常數是81。煤和非煤異常體之間存在的介電常數差異為探地雷達探測煤層異常體提供了可靠的地球物理依據。在超前探測中我們接觸的首先是煤層，然后再在煤中探測和識別異常體，在不同介質分界面上將產生回波信號，這是我們識別異常體的基本波形依據。理想情況下，出現異常體的雷達回波走時圖如圖2所示。

圖2 理想情況下雷達超前探測異常體單波示意圖

圖4 礦方提供66111順槽平面示意圖

圖中，縱坐標表示雷達回波振幅大小（單位mv），橫坐標表示雙向走時（單位ns）。在雙向走時圖像上，首先有一個首波-直達波，其幅度最大，然后出現指數衰減。在異常體與煤層的分界面上產生一個幅度較大的異常體回波，反映出異常體的位置和距離。

在煤礦巷道掘進頭實際超前探測中，情況要復雜得多，由于受巷道斷面空間尺寸的限制，探地雷達的探測解釋基本以單點單波為主。由于缺乏足夠多的同等條件下的相對數據，建立超前探測的圖譜具有相當的難度。當然，煤礦井下電磁干擾小，煤層異常體模型簡單也為超前探測工作提供了有利的條件。

2.探測實例

2.1 探測時間地點

探測時間：2010年8月16日上午9時。探測地點：新莊孜煤礦66111順槽q21測點前30.2米。

2.2 掘進工作面概況

掘進頭巷道寬約4.8米，高約1.8～3. 5米，煤層厚約為4.2米左右。測線位于掘進頭巷道中部，在煤層中探測，探測迎頭平整度一般，對探測成果造成一定的影響。探測頻率100MHz，探測方向從左往右（由巷道下幫向上幫）。整個探測工作時間約10分鐘，其它情況略。

2.3 初步預報結果

探測結果（頻率100MHz）：探測前方30米范圍內，雷達波衰減基本均勻，但在探測前方14～17米附近位置出現小幅震蕩回波，預計為礦方預計斷裂構造，或是煤層破碎或煤層產狀變化引起的小異常，也有可能是掘進面迎頭不平產生的干擾，如圖3所示。

圖3 66111 工作面q21點前30.2米超前探測初步成果圖（100MHz）

2.4 探測結果和現場揭露資料對比

巷道揭露以后，將初步超前探測結果（圖3）和現場實際資料進行了對比，形成的探測結果驗證見圖4。從圖3可以明顯看出：在煤巷正常地段雷達反射回波很弱，甚至沒有；而煤巷出現異常的位置附近都有大小不等的雷達反射回波。說明高頻電磁波對煤巷異常具有明顯的識別能力，采用探地雷達進行煤巷超前探測預報是行之有效的；從礦方提供的驗證圖紙（圖4）中可以看出：本次試驗巷道施工前方16.5m處發現一條H=1.0m斷裂構造。

3.結論

3.1 應用探地雷達超前探測煤巷前方異常時，工作方法快捷方便，經濟可行。

3.2 本次探測試驗為礦方安全生產提供了切實可行的依據，并隨著煤礦井下探測實踐不斷深入和探測技術的改進完善，探地雷達技術作為一種先進、方便的礦井物探手段在煤礦的推廣應用中有著廣泛的前景。

3.3 探測試驗結果要與鉆孔地質資料，局部區域資料結合起來綜合分析，相互對比驗證，提高解釋的精度和可靠性，并降低物探資料的多解性。

[1]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995

[2]張平松，劉盛東等.地球物理勘探教程[M].安徽：安徽理工大學出版社, 2007

[3]宋勁，蔣成站，吳燕清等.煤層電性參數測試技術完善的研究[R].重慶：煤炭科學研究總院重慶分院,1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.036

王瑩（1981-）男，安徽壽縣人，助理工程師。在淮南礦業集團先后從事地質測量及礦井物探工作。