運用地質雷達探測礦井隱伏地質異常體

劉晨

【摘 要】隨著礦井開采向深部延伸，地質條件更復雜，安全管理難度大，現使用地質雷達對礦井地質構造探測，通過對煤礦井下掘進巷道超前探測和地面實驗的使用，探前探后的對比驗證，取得了良好的效果。

【Abstract】With the increase of excavation depth，the geological conditions are more complex and the safety management is difficult. Geological radar is used to detect the geological structure of coal mine，based on the application of advanced exploration and ground experiment， and comparison of pre and post detection ， the good effect is gained.

【關鍵詞】礦井地質構造；地質雷達；斷層；應用效果

【Keywords】geological structure of mine； geological radar； fault； application effect

【中圖分類號】P25 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0180-02

1 現狀分析與存在問題

礦井開采存在著各種地質災害，尤其是礦井的瓦斯、水、應力等災害，不僅影響煤礦開采的效率，也極大地影響安全生產。巷道在掘進過程中遇到斷層、陷落柱、煤巖體結構破碎等不良礦井地質條件時，將會影響巷道掘進施工，同時還可能導致礦井水、瓦斯等災害的發生，給礦井安全生產帶來極大的威脅。煤層中的瓦斯含量與瓦斯壓力一方面與煤層的埋藏深度有重要關系，另一方面與煤層的賦存條件和地質構造有關，在斷層、褶曲、煤層厚度變化區、火成巖侵入區等地質構造附近，往往易發生煤與瓦斯突出現象。掘進前方是否存在地質異常體，已成為影響掘進生產速度和生產安全的主要因素。

隨著礦井開采向深部延伸，地質條件更復雜，安全管理難度大，采掘接替緊張。以往礦井對地質構造探測的主要物探手段有瑞利波探測技術和地震波探測技術，兩種儀器在施工效率、經濟價值、探測精度上，都不能與礦井當前環境下降本增效、靈活高效的理念相匹配。為提升掘進前方構造異常體探測精度，保證掘進生產速度和安全，結合礦井實際，將探地雷達探測技術運用到礦井下。通過對礦井下掘進巷道超前探測和地面實驗的使用，探前探后的對比驗證，取得了良好的效果。

2 探地雷達基本原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR，又稱地質雷達）方法是一種用于確定地下介質分布的光譜（1MHz～1GHz）電磁技術。在系統主機的控制下，發射機通過天線向圍巖內定向發射高頻寬帶電磁波脈沖[1]。垂直于巖層表面向圍巖內傳播的電磁波當遇到有電性差異（主要是介電常數、電導率）界面或地質異常體時即發生反射，反射波被天線接收進入接收機，并傳到主機，主機對從不同深度返回的各個反射波進行放大、采樣、濾波、數字迭加等一系列處理，可在顯示器上形成一種類似于地震反射時間剖面的探地雷達連續探測彩色剖面[2]。該剖面的橫坐標沿測線方向，表示距離，單位為米，隨著距離的不斷增加，以等距離間隔掃描反射回一系列的反射波曲線。縱坐標代表時間（單位ns），即表示每條掃描取樣反射曲線上各個反射波往返旅行時間（單位t）。在相對介電常數εr給定的情況下，縱坐標就可以通過下式換算為深度r，r =■

式中c/■為介質內雷達波傳播速度，工作中介電常數εr，一般通過介質內已知目標深度，求出介質中的雷達波速度，或通過經驗數據獲得介質中雷達波的傳播速度。

數據處理時，首先根據掃射回波的形態、反射強度及其變化在連續剖面上判別目標性質，再根據回波的時間和速度確定目標深度，然后將這些信息繪成剖面成果圖。

3 探測成果分析

3.1 任樓煤礦井下探查實驗

3.1.1 煤巷超前探測

①第一次探測實驗

探測地點：任樓煤礦井下7259機巷 j30點前10m 位置處。測線布置：探測時迎頭正前方布置1條測線，選用100MHz天線，從左向右每隔0.2m布置1個測點。

探測成果：迎頭前方存在4處異常反射界面，分別為：①迎頭前方5.5m有反射波存在，可能為裂隙存在；②迎頭前方13m有反射波，可能為裂隙存在；③迎頭前方19m有反射波存在，預測為構造裂隙；④迎頭前方24m有反射波存在，預測為裂隙存在。

探后驗證：除②號異常與巷道實際揭露有偏差外，其他異常與實際揭露較一致。

②第二次探測實驗。

探測地點：8230切眼 Q1點前8.3m 位置處。測線布置：探測時迎頭正前方布置1條測線，選用100MHz天線，從左向右每隔0.2m布置1個測點。

探測成果：距迎頭前方15～20m處（即Q1點前13.3m、23.3～28.3m處），波形相對其周圍能量較弱，分析該處可能為構造裂隙影響所致。

探后驗證：實際揭露位置圖與資料一致。

3.1.2 任樓煤礦巖巷超前探查

①Y24點前23m點探測

探測地點：中六運輸大巷Y24點前23m位置處。測線布置：本次探測使用100MHz天線探測，結合探測現場情況，在迎頭斷面水平方向從左到右做1條測線，每0.2m采一個點共采集21個點。

探測成果：本次探測得到一張成果圖，距迎頭前方8～9m（Y24點前31～32m）處存在一處較強反射波界面，結合地質資料分析，以上反射界面可能為F2-1∠65°H=9m±斷層或伴生構造引起的構造裂隙面影響所致。

探后驗證：實際揭露位置圖與資料一致。

②Y24點前35.6m探測

探測地點：中六運輸大巷Y24點前35.6m位置處。測線布置：本次探測使用100MHz天線探測，結合探測現場情況，在迎頭斷面做1條測線，豎直方向從上到下做1遍，每0.2m采集1個點。

探測成果：中六運輸大巷施工迎頭前方存在三處探測異常反射界面，分別為：1號異常段距迎頭前方15.5 ～17.5m（Y24點前51.1～53.1m）； 2號異常段距迎頭前方21 ～23m（Y24點前56.6～58.6m）；3號異常段距迎頭前方25～26m（Y24點前60.6～61.6m）；結合地質資料分析，以上反射界面可能為F2∠58°H=100m±斷層引起的伴生構造裂隙或巖層變化分界面影響所致。

鉆探驗證：巷道鉆探控制剖面圖，探測結果與實際較吻合。

3.2 地面

探測地點：任樓礦變電所旁人工湖測線布置：本次探測使用100MHz天線探測，結合探測現場情況，在迎頭斷面做1條測線，每1m測一個點，共做30m，30個測點。探測成果：本次探測圖中橫坐標在9m～14m之間波形存在明顯幅值凸顯點，與涵洞實際位置較對應。

4 實施效果

通過以上實驗對比現有地質構造超前物理探測技術（瑞利波探測技術、地震波反射法探測技術）對比分析如下：

①精度較高。通過實際揭露驗證知，探地雷達大幅提升了探測精度，并且對異常體的具體形狀有較直觀的表達。

②施工過程效率高。探地雷達相對瑞利波和地震法能大幅減少施工人員，同時也減少了施工時間。

③安全系數更高。不管是瑞利波法還是地震波法都必須要求有震動方能探測前方情況，震動大大加大了片幫、掉矸傷人的危險性，探地雷達方法使用的是電磁波脈沖，對探測迎頭不產生任何破壞，增加了一定的安全系數，同時也降低探測后期對巷道維修的成本。

④經濟性更強。地震波法超前探，必須在巷道幫部打眼，特別是放炮時，炮藥雷管都是一次性使用，費用較高，放炮可能會對巷道支護及其他現場設施產生破壞。

⑤社會價值更好。地震炮擊施工產生大量炮藥污染環境，對施工人員健康也不利，探地雷達采用高頻寬帶電磁波脈沖相對清潔。

5 不足之處

地質雷達超前探測地質構造技術在我國煤礦生產過程中已經得到了廣泛的應用，并且取得了長足的發展，但是地質雷達也有其局限性[3]，在以下五個方面有待于進一步提高：①探測距離與分辨率的矛盾無法克服；②多次波及其他雜波干擾嚴重，原始記錄的信噪比低，有效波的識別及其成果解譯十分困難；③所獲得的被探測對象的空間信息量太少，其資料成果的解釋往往存在多解性；④煤礦探測現場條件對探測精度影響較大；⑤在部分介質中能量損耗較快，探測距離變短。

6 結語

目前，該技術已在礦井較好的應用，探地雷達較高探測分辨率和高工作效率的特點，逐漸成為礦井地質構造探查的一種重要手段。

【參考文獻】

【1】王連成.礦井地質雷達的方法及應用[J].煤炭學報，2000，25（1）：5-9.

【2】楊永杰，劉傳孝，蔣金泉，等.地質雷達及其在煤礦中的應用[J].中國煤炭，1996（5）：33-36.

【3】曾昭發.探地雷達原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.