低頻地質雷達在井下地質構造探測中的應用

＊楊樂宇

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司高陽煤礦 山西 032302）

引言

我國煤炭資源十分豐富且地域分布遼闊，同時煤炭作為我國社會主義現代化經濟建設的主要能源之一，在我國的經濟建設與人民日常生活中都有著十分重要的作用，因此對煤炭資源的高效、安全開采顯得異常重要。煤炭開采時受斷層、陷落柱等地質構造影響[1]極大，工作面中若存在斷層、陷落柱不僅會影響煤礦的正常生產、降低煤炭礦井開采的利用率及回收率，而且會威脅煤礦的安全生產，甚至會給國家和人民帶來極為慘重的人身傷亡和經濟損失。例如，礦井水災、瓦斯事故以及采煤沉陷等都與斷層、陷落柱等地質構造發育有著緊密的聯系，主要體現如下：（1）斷層、陷落柱是導致出水事故的關鍵，很多的災害性突水都是源于斷層導水；（2）斷層、陷落柱等地質構造發育區域會造成瓦斯富集，在高瓦斯或瓦斯突出礦井，斷層、陷落柱等地質構造發育帶發生煤與瓦斯突出事故的概率較高，其危險程度又與地質構造發育的復雜程度關系較密切。綜上所述，采用新方法對煤層中斷層、陷落柱等地質構造進行高精度探測已經迫在眉睫。

目前在礦井生產過程中對巷道前方及側幫的地質異常預測預報仍然以鉆探為主，但鉆探效率低，且鉆探為一孔之見，成本高，故僅利用鉆探進行地質構造探測已經不能滿足現代化礦井安全生產的需要。因此，急需引進一些高效、快捷、精確的地質構造探測方法，根據預報方法的探測成果適當布設針對性強的地質構造鉆孔，通過新方法的探測結果與鉆孔探測結果相互分析、相互驗證，從而使最終預報結果更加客觀準確，提高掘進工效，降低巷道在掘進過程中的成本，保障安全生產[2]。當前井下勘探常用的方法主要有：（1）礦用震波類技術方法，主要包括：礦用反射波技術方法、槽波技術方法、瑞利波技術方法、地震波CT成像技術方法、微地震技術方法；（2）礦用電磁波技術方法，包括：礦用并行電法技術方法、礦用高密度技術方法、礦用瞬變電磁技術方法、礦用地質雷達技術方法、礦用音頻電透視技術方法等。地質雷達已經廣泛應用于探測斷層、陷落柱等地質構造。傳統雷達方法探測距離有限，一般探測幾米到二十幾米左右，很難滿足井下探測斷層等地質構造的技術要求。而低頻地質雷達是通過降低雷達天線頻率，有效提高了探測距離，例如，50MHz天線的低頻地質雷達有效探測距離可以達到60m左右。本文通過在31116材料巷使用低頻地質雷達對斷層的實際探測，并結合鉆探與實際揭露資料綜合分析，得出低頻地質雷達對斷層精細探測的有效性。

1.技術方法

(1)原理

低頻地質雷達[3]探測煤礦井下斷層[4]、陷落柱等地質構造，是通過雷達天線向巷道掘進工作面或巷道側幫發射脈沖雷達波，并接收因被測介質電性差異產生的反射回波實現。由于井下斷層、陷落柱等構造會引起雷達波產生反射、繞射和散射等異常響應，并造成回波頻率、相位和振幅的改變，故采用地質雷達對井下掘進巷道及側幫構造探測具有良好的地球物理基礎。含煤地層中一般煤的相對ε（介電常數，以下同）位于2.3～3.6之間，煤系地層中巖石的相對ε一般位于4～9之間，空氣的相對ε大約為1，水的ε為81左右。井下地質環境中，煤層介質和非煤層介質之間存在ε差異，這是低頻地質雷達探測煤層中的非煤層異常體的地球物理基礎，也為解決井下地質構造類地質問題提供了理論依據。

低頻地質雷達現場探測前需根據探測時天線移動速度和系統配置設定采樣間隔，探測時需將地質雷達的天線平面與被測面緊貼，保證天線耦合質量，之后天線勻速、連續移動，保證地質雷達系統能夠完成記錄每個測點電磁波的時間與振幅剖面，并形成連續的地質雷達電磁波剖面。低頻地質雷達探測資料解釋時電磁波速度是一個關鍵技術參數，當煤系地層中不同介質的電磁波速度已知時，根據距離等于速度乘以時間，反射雙程時間再換算成單程時間，即可以得到探測位置至反射波異常位置的距離。圖1為低頻地質雷達探測原理示意圖。

圖1 低頻地質雷達探測原理示意圖

(2)儀器設備

低頻地質雷達由主機和天線兩部分組成，圖2為ZTR-12本安型防爆地質雷達系統，配備中心頻率為50MHz的雷達天線。

圖2 為低頻地質雷達探測原理示意圖

ZTR-12本安型防爆地質雷達系統的技術參數如下：

主機：

①本質安全型、防爆；

②主機內置采集軟件，開機自動運行；

③Windows界面，中文菜單；

④A/D轉換：16位；

⑤掃描速度：50kHz；

⑥系統功耗：15W；

⑦測量時窗：6～3500ns；

⑧疊加次數1～4096次。

50MHz天線：

①中心頻率：50MHz；

②類型：半屏蔽式防爆分體式天線；

③理論最大探深：60m；

④尺寸：225cm×70cm×50cm；

⑤適用范圍：煤礦工作面前方、頂底板及側幫的地質構造探測等。

2.應用實例

(1)測區地質概況

31116工作面地面位置位于下衛底村東北約160m，緊鄰西曹村西南面。地面黃土覆蓋，沖溝發育。該工作面南鄰31114工作面，西部為三采區大巷，北為四采區，東為三采區采區邊界。31116材料巷開采太原組9-10-11#煤，煤層最小厚7.8m，最大厚8.5m，平均8.2m，煤層結構1.8(0.15)3.36(0.09)2.8。煤巖層傾角平均為8°。煤種為瘦煤，穩定可采。31116工作面煤巖層基本為單斜構造區，產狀為走向北西，傾向北東；斷層、陷落柱主要分布在31116材料巷及切眼附近。

(2)數據采集

采用低頻地質雷達對31116工作面材料巷A20點后210m至390m處側幫進行雷達探測，根據探測目的和現場情況對系統參數進行設置，共采集文件2個。本次探測低頻地質雷達采用的主要技術參數為：①雷達天線頻率：50MHz；②單道采樣點數：2048；③掃描頻率：0.025Hz；④相對ε：7；⑤工作方法：點測；⑥采樣間隔：180ns。

(3)數據處理

低頻地質雷達數據處理工作主要使用GR雷達處理分析系統軟件，數據處理的核心工作步驟如下：

①距離歸一化：數據處理時進行距離歸一化處理的主要目的是為了消除低頻地質雷達在現場實測時，因天線移動速度、距離差異導致的固定時間間隔內記錄數據道數不一致做的數據處理工作。處理時采用數據標記功能計算出雷達天線實際移動的距離，具體標記為1點/m。標記之后，處理時根據1m距離范圍內電磁波道數進行統一，即選定一個標準數，然后在每1m測線范圍內插入或刪減一些電磁波數據道，達到每1m范圍內電磁波數量一致的效果。

②波速確定：低頻地質雷達根據反射電磁波勘探原理，反射電磁波在地質雷達剖面上顯示的雙程道時，需要用記錄反射電磁波時間與波速來確定反射界面的位置，因此波速確定的準確性關系到探測結果的準確度。同時也需要在實際探測中不斷的積累與修正，以提高探測結果的精度。

③濾波

低頻地質雷達數據處理中對電磁波濾波處理也是一項很重要的工作，因為探測環境及施工耦合差異等因素影響，儀器系統采集到的電磁波有很多干擾波在里面，濾波的主要作用就是壓制干擾電磁波，增強有效電磁波，從而達到去干擾、提高信號信噪比的效果。低頻地質雷達數據處理中的濾波主要分為水文濾波和垂直濾波。

水平濾波是低頻地質雷達記錄的電磁波信號中水平波比較發育的。水平波主要產生于儀器自身，主要來自于儀器系統內的控制器、數據線以及雷達天線的相互作用且很難消除。低頻地質雷達的水平波具有明顯的特點，主要體現在其發育的時間具有相等性，因此水平濾波就以水平波的這一明顯特征為基礎采區的有效算法進行消除。水平濾波是將相鄰的一定數量電磁波振幅值求平均，然后再與個別道進行對比，以此來消除或壓制水平波。水平濾波中選取的電磁波道數越大，效果越差，選取的電磁波道數越小，效果越好。同時，在進行水平濾波時，要根據不同的探測環境進行試驗、調參，經過多次驗證與修正濾波參數，才能取得最佳效果。

垂直濾波主要消除探測環境中產生的干擾波，常用的濾波方法有帶通、高通、低通濾波以及小波變換等。地質雷達數據垂直濾波時，為了區分不同發育條件的地質異常體，需選取不同的頻帶。垂直濾波是一種數學變換方法，會造成一定程度的信號失真，濾波時選取的頻帶越窄，失真程度越大，應用中要認真選取方法和參數，根據探掘、探采結果不斷調整與修正。

(4)資料解釋

對雷達數據進行處理，結合現場探測情況及處理解釋剖面可得出如下結果：

①在探測點10～38m即A20點后220～248m處有明顯雷達波反射能量較強且同相軸發生明顯錯斷區域。根據現場施工環境，探測位置位于全煤。結合現場施工環境、雷達解釋剖面和礦方地質資料綜合分析，推測探測區域內異常區域為煤巖層變化或破碎影響。

②在探測點95～132m即A20點后305～342m處有明顯雷達波反射能量較強且同相軸發生明顯錯斷區域。根據現場施工環境，探測位置位于全煤。結合現場施工環境、雷達解釋剖面和礦方地質資料綜合分析，推測探測區域內異常區域為煤巖層變化或破碎影響。

③在探測點0～130m即A20點后210～340m處，深度30m有明顯雷達波反射能量較強且同相軸發生明顯錯斷區域。根據現場施工環境，探測位置位于全煤。結合現場施工環境、雷達解釋剖面和礦方地質資料綜合分析，推測探測區域內異常區域為煤巖層變化或破碎影響。

④在探測點130～180m即A20點后340～390m處，深度35m有明顯雷達波反射能量較強且同相軸發生明顯錯斷區域。根據現場施工環境，探測位置位于全煤。結合現場施工環境、雷達解釋剖面和礦方地質資料綜合分析，推測探測區域內異常區域為煤巖層變化或破碎影響。

(5)驗證結果

通過對探測位置進行鉆探驗證，合計施工鉆孔30個，可得驗證結果如下：

①工作面內距探測位置約35m揭露異常分析為一落差約5m斷層；

②工作面內距探測位置16～54m揭露異常分析為陷落柱；

③工作面A20點后210～300m處距探測位置32～45m揭露異常分析為一落差約5m斷層；工作面A20點后300～340m處距探測位置16～45m揭露異常分析為一陷落柱；

④工作面內距探測位置15～58m揭露異常分析為一陷落柱。

經過探鉆對比分析，低頻地質雷達可對陷落柱、斷層等地質構造進行有效探測，探測結果與驗證結果基本一致。

3.結論

通過分析低頻地質雷達技術的介紹，對煤礦陷落柱、斷層等地質構造探測的應用實例，說明了低頻地質雷達對陷落柱、斷層等地質構造的探測的有效性，采用理論分析與實際應用綜合對比的方法，得出如下結論：

①陷落柱、斷層等地質構造作為影響煤礦安全生產的隱患，需要對其進行有效探測。

②低頻地質雷達作為一種有效探測陷落柱、斷層等地質構造的物探方法，具有高效率、高精度、高便攜性的技術優點。

③井下低頻地質雷達探測系統雖然提高了探測深度，達到60m左右，但是仍然需繼續提高探測深度，以更好地應用于煤礦地質構造類探測。