基于鉆孔雷達的透明工作面構建方法

蔣必辭 ，程建遠 ，李 萍 ，劉文明 ，余俊輝 ，吳國慶

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

智能開采是煤炭行業的技術發展方向。實現工作面“透明”是智能開采的地質需求，其核心為利用物探、鉆探等手段，探測煤層起伏、厚度、異常體等地質信息，構建高精度的工作面模型（簡稱透明工作面）[1]。透明工作面研究與實踐工作近年來取得快速發展。程建遠等提出綜合運用物探、鉆探、采掘工程等多種地質信息，逐級構建智能開采工作面地質模型的方法[2]，并在山西某煤礦XY-S 工作面進行實踐，實現煤厚預測誤差小于0.3 m，煤層底板高程誤差0～1 m 的精度，但也同時指出，亟需研發隨采智能探測、孔中地質雷達、視頻煤巖識別等新技術新裝備，實現工作面高精度三維地質建模[3]。可見，煤巖界面的高精度探測是構建透明工作面亟需解決的難點。

煤巖界面探測分為地面探測和井下探測。地面探測方法有高密度全數字三維地震[4]、地面高密度電法[5]等。煤礦井下探測包括槽波勘探[6-7]、隨掘地震實時超前探測[8]、隨采地震技術[9-11]、礦用探地雷達[12]、礦用伽馬測井技術[13-14]等，其中精度較高的為探地雷達和礦用伽馬測井技術。礦用探地雷達在巷道內工作，受巷道內金屬影響嚴重，同時超前探測距離較短。礦用伽馬測井主要用于穿層孔，起定點標定作用。鉆孔雷達作為一種探測精度高、探測范圍大的孔中物探方法[15-16]，與探地雷達相比，可以避免巷道內的金屬干擾[17]。目前，鉆孔雷達主要應用于地面垂直鉆孔[18]，對金屬礦巖性界面有一定探測效果[19]，對探測煤巖界面也有相關可行性研究[20]。

筆者提出利用鉆孔雷達構建透明工作面的方法，通過研究煤層原位電磁波傳播速度計算方法、煤層頂/底板偏移成像以及多孔聯合技術，實現匹配實際生產的3 種透明工作面構建模式。

1 鉆孔雷達探測煤巖界面方法

鉆孔雷達探測煤巖界面的物理基礎為高頻電磁波在遇到煤層與巖石界面時會發生反射。單孔反射雷達原理示意如圖1 所示。

圖1 鉆孔雷達探測煤巖界面原理Fig.1 Schematic diagram of borehole radar detecting coal rock interface

單孔反射雷達數據處理方法與探地雷達及反射地震數據處理方法近似[21]，主要包括：資料整理、數據編輯（廢道剔除、漂移處理）、常規處理（濾波處理）、偏移處理、雷達圖像增強處理（增益處理、道間均衡、道內均衡、振幅恢復）、特殊處理（小波變換、二維濾波、反褶積處理）等。根據鉆孔雷達探測煤巖界面實際工作總結出其數據處理與解釋流程，如圖2 所示。針對煤礦井下順煤層鉆孔探測煤巖界面著重研究原位煤層雷達波傳播速度的計算和基于煤層頂、底界面空間的約束偏移成像方法。

圖2 鉆孔雷達探測煤巖界面數據處理與解釋流程Fig.2 The workflow of borehole radar data processing and interpretation for detecting coal rock interface

1.1 原位煤層雷達波傳播速度計算

在煤礦井下將鉆孔雷達天線送入孔內進行探測時，孔口外的區域為有限空間，孔口處的巷道壁與空氣形成一個強烈的波阻抗界面，雷達波遇到該波阻抗界面產生反射形成巷道波。利用gprMax 軟件[22]建立理論模型，分析巷道波特征。模型激勵源及輸出參數見表1，模型幾何參數見表2。模型中煤層的相對介電常數為4 或2，頂底板巖層相對介電常數均為8。煤層電導率為0.001 S/m，頂底板巖層電導率均為0.01 S/m。煤層和頂底板巖層的相對磁導率均為1。巷道及鉆孔中均充滿空氣。圖3 為模型立面示意圖，其中鉆孔傾角15°，開孔位置距離底板1 m。通過改變鉆孔傾角、開孔位置、巷道高度、煤層速度，對比分析巷道波特征。分別進行無巷道和有巷道（鉆孔傾角15°）對比（圖4a和圖4b）；有巷道時鉆孔傾角為15°和30°的對比（圖4b和圖4c）；巷道與煤層等高、巷道高于煤層1 m 時的對比（圖4b 和圖4d）；開孔位置分別在距煤層底板1 m和2 m 時的對比（圖4b 和圖4e）；煤層速度分別為0.15 m/ns 和0.212 m/ns 時的對比（圖4b 和圖4f）。

圖3 基本模型Fig.3 Schematic diagram of basic model

表1 激勵源、輸出參數及吸收邊界條件Table 1 Excitation source, output parameters and absorption boundary conditions

表2 幾何模型參數Table 2 Geometric model parameter

由圖4 經過對比分析可知，巷道波斜率在鉆孔傾角改變、巷道與煤層關系不同時均不受影響，僅與煤層速度有關，表現為煤層雷達波速度的導數。因此，在鉆孔雷達時域響應剖面上拾取巷道波同相軸，在同相軸上取2 個點P1（S1,t1）、P2（S2,t2）（圖4b），按下式求取煤層雷達波傳播速度vc。

圖4 不同模型的鉆孔雷達響應時域剖面對比Fig.4 Comparison of borehole radar response time-domain profiles of different models

式中：vc為煤層雷達波傳播速度，m/ns；S1、S2分別為P1、P2點在鉆孔雷達時間剖面上的孔深，m；t1、t2分別為P1、P2點在鉆孔雷達時間剖面上的時間，ns。

1.2 煤層頂、底界面空間約束偏移成像

地面探地雷達在探測界面時進行偏移處理原理如圖5 所示，由于測線（AF）與地層界面（BD）不平行，反射界面（即地層界面BD）與地質雷達時間剖面反射同相軸（B′D′）不對應，B′D′經過偏移處理后歸位為BD[23]。

順煤層孔中鉆孔雷達為全空間探測，時間剖面上頂、底板界面反射同相軸與其反射界面不對應，且與二者的空間相對位置關系不對應，如圖6a 所示，頂底界面應分布在鉆孔兩側，而圖6b 鉆孔雷達時間剖面上二者均在一側。經過圖5 所示的偏移處理后煤層頂、底板界面均在鉆孔一側，無法體現鉆孔與煤層頂底板界面空間相對位置關系。

圖5 偏移原理Fig.5 Schematic diagram of migration imaging

為了將頂底板界面成像與實際地質界面位置對應，利用鉆孔孔口與頂底板空間相對位置關系約束實現偏移成像。具體方法為：從時域剖面分別提取頂底板界面反射同相軸，利用孔口空間位置關系及鉆孔軌跡進行約束，根據煤層雷達波速度分別對頂底反射同相軸進行偏移處理，實現頂、底板界面偏移成像。煤層與頂底板界面空間位置約束偏移成像結果圖如圖6c所示。

圖6 煤層與頂/底板界面空間位置約束偏移成像Fig.6 Spatial position constrained migration imaging of coal seam and roof/floor interface

2 透明工作面構建方法

煤礦井下在工作面開采前進行掘進，構建輔助巷道，在輔助巷道內施工大量的長鉆孔用于探水、探氣等，在工作面開采過程中在切眼施工大量的卸壓短鉆孔，因此，可以在這些鉆孔進行鉆孔雷達探測。根據工作面實際開采情況，鉆孔雷達構建透明工作面模式可分為回采前長鉆孔模式、回采中短鉆孔模式、聯合模式共3 種模式：回采前長鉆孔模式主要是針對地質條件相對簡單的工作面，利用巷道內施工的長鉆孔進行大范圍的探測，在回采前構建透明工作面；回采中短鉆孔模式是針對地質條件相對復雜的前期地質資料相對較多的工作面，利用切眼卸壓短孔進行探測，在回采過程同時探測；聯合模式是針對工作面地質條件相對復雜，地質資料相對較少的工作面，在回采前通過長鉆孔進行初步探測，在回采中進一步精細化探測，構建透明工作面。多鉆孔聯合構建透明工作面工作流程如圖7所示。下面重點介紹鉆孔的設計以及多孔聯合方法。

圖7 構建透明工作面工作流程Fig.7 Workflow of constructing transparent working face based on borehole radar

2.1 鉆孔設計原則

回采前長鉆孔模式：對煤層賦存地質條件相對簡單的工作面，采用回采前長鉆孔探測模式。長鉆孔可在工作面兩側巷道內實施（如圖8 中黃色長線）或在單側巷道內實施（如圖8 中綠色長線）。在兩側巷道施工鉆孔采用對稱交叉設計，在一側巷道施工的鉆孔平面上采用鉆孔群散射狀布置，開孔角度采取近水平小傾角設計，避免長鉆孔穿過煤層頂底板，對于高位鉆孔朝底板開孔，開孔傾角為負，對于低位鉆孔朝頂板開孔，開孔傾角為正。鉆孔開孔位置要求偏離煤層中心位置。

回采中短鉆孔模式：對于地質條件復雜的工作面，采用回采中短鉆孔滾動探測模式進行探測（如圖8 中粉色短線）。在開采間歇，快速實施深度小于20 m 的短鉆孔，構建開采前方15 m 范圍內地質模型。各個鉆孔開孔位置采用交錯設計并且偏移煤層中心，如圖9所示。

圖8 鉆孔雷達構建透明工作面鉆孔布置Fig.8 Borehole design of constructing transparent working face based on borehole radar

圖9 鉆孔開孔位置切眼剖面位置Fig.9 Borehole design in sectional view

聯合模式：對于地質條件復雜且前期地質資料相對較少時，可采用回采前長鉆孔和回采中短鉆孔2 種模式聯合探測。

開孔位置與頂板界面距離Hhu、與底板界面距離Hhd、中心頻率fBHR及煤層相對介電常數εc滿足如下關系式：

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，c=3×108m/s；fBHR為鉆孔雷達中心頻率，Hz。

2.2 多孔聯合方法

單孔雷達探測結果屬于線狀數據，工作面頂底板為面狀數據，需要將多鉆孔探測的線狀數據融合成面狀數據。具體方法為：根據鉆孔軌跡儀探測的數據計算鉆孔軌跡絕對坐標，將頂底板探測結果轉換為絕對坐標，融合多鉆孔結果形成透明工作面所需的面狀數據。

利用鉆孔軌跡測量的傾角和方位角及孔口坐標計算各個鉆孔的三維空間軌跡（Xk,Yk,Zk）：

式中：θDEVI為鉆孔軌跡儀測量的有效傾角，弧度角度；θAZIM為鉆孔軌跡儀測量的有效方位角，弧度角度；k為當前點，k=1,2,···,K（K為鉆孔軌跡數據測量的點數）；（X0,Y0,Z0）為測量的孔口坐標；SMD為鉆孔深度，m；θDLA為狗腿角，弧度角度；R為最小曲率半徑，m；

各鉆孔探測的煤層頂界面坐標（Xr,Yr,Zr），及底界面坐標（Xf,Yf,Zf）分別為：

式中：Hr為鉆孔雷達計算的煤層與頂板界面到鉆孔距離，m；Hf為鉆孔雷達計算的煤層與底板界面到鉆孔距離，m。

利用克里金插值[23]將多個鉆孔探測的頂板線和底板線進行聯合，對于無鉆孔探測區域進行插值計算，實現整個探測區域煤層頂底界面空間分布計算。

3 應用實例

在沁水煤田某煤礦31004 工作面利用鉆孔雷達進行構建透明工作面的試驗性應用。工作面總體為東高、西低單斜構造形態，所掘3 號煤層傾角為2°～6°，平均坡度3°，煤層埋深485～567 m，平均厚度2.72 m，切眼傾向長度240 m，頂板為砂質泥巖，底板為泥巖。

工作面回采過程中在切眼實施了大量卸壓孔，孔深17 m 左右，孔間距1.5～3.0 m。卸壓孔分布滿足短鉆孔模式。以其中一組卸壓孔（8 個）為例，進行開采前方透明工作面的構建。鉆孔相對位置關系以及鉆孔軌跡平面投影如圖10 所示，開孔信息見表3。

表3 卸壓孔開孔信息Table 3 Pressure relief holes information

圖10 鉆孔相對位置關系及軌跡平面投影Fig.10 Position relationship and borehole trajectory of boreholes

采用中心頻率200 MHz 鉆孔雷達儀和YQG1 手持式鉆孔軌跡儀進行測量，儀器參數見表4。表5 為鉆孔雷達、軌跡測量的深度以及根據巷道波計算的孔口位置煤層雷達波速度。以開孔距頂板近（1 號孔）和距底板近（4 號孔）的2 個鉆孔為例展示單孔鉆孔雷達探測結果。1 號與4 號鉆孔時域剖面如圖11 所示，偏移成像結果如圖12 所示。

表4 儀器參數Table 4 Instrument parameters

表5 鉆孔信息統計Table 5 Eight boreholes measurement information

圖11 所示鉆孔雷達時間剖面清楚顯示巷道波、煤層與頂板和底板界面的反射同相軸，可用來計算煤層雷達波傳播速度及頂、底板界面。圖12 顯示的頂底板界面清晰，起伏形態自然，符合實際情況。將所有鉆孔探測結果利用克里金插值算法融合成面狀數據，獲得煤層頂、底板界面的高程分布圖（圖13）。

圖11 鉆孔雷達時域剖面Fig.11 Borehole radar time domain profile

圖12 鉆孔雷達偏移成像Fig.12 Examples of borehole radar migration imaging results

圖13 煤頂底界面高程分布Fig.13 Floor interface elevation distribution

為對探測精度進行對比分析，分別利用鉆孔雷達數據和切眼實測數據，對之前收集資料建立的初始模型進行更新。對比剖面距離孔口約5 m（如圖10 中剖面線位置）。對比結果如圖14 所示。

由圖14 可知，鉆孔雷達探測界面的整體變化形態與切眼測量結果基本一致，與原始模型相比，局部刻畫更細致。與切眼測量數據相比，探測結果中頂界面最大誤差為0.57 m，底界面最大誤差為0.54 m，煤厚最大誤差為0.30 m。鉆孔雷達探測煤巖界面精度由鉆孔雷達儀器精度、鉆孔軌跡精度、計算的煤層雷達波速度精度共同決定，煤厚精度與鉆孔軌跡無關，與鉆孔雷達儀器精度、計算的煤層雷達波速度精度決定。

圖14 鉆孔雷達測量與切眼測量結果對比Fig.14 Comparison of coal seam profile before and after updating

4 結 論

a.模擬分析表明，巷道波同相軸斜率與鉆孔傾角、鉆孔開孔位置、巷道高度無關，與煤層電磁波速度有關，可以利用巷道波同相軸斜率計算煤層雷達波速度。

b.給出了計算煤層頂、底板界面的偏移成像方法，該方法結合鉆孔軌跡可以反映沿煤層頂、底板界面的變化情況。

c.提出3 種匹配實際開采的透明工作面構建模式：回采前長鉆孔模式、回采中短鉆孔模式和聯合模式。對回采中短鉆孔模式進行了試驗性應用，探測結果誤差小，局部刻畫更精細，可實現透明工作面的構建。d.目前各個鉆孔在進行鉆孔雷達偏移成像時采用的是孔口位置煤層的電磁波傳播速度，沿鉆孔的煤層電磁波速度變化未考慮，未來需要進一步研究全區域煤層電磁波速度的計算方法。