煤與瓦斯突出危險區超前精細探測技術

朱南南，舒龍勇，張慧杰，陳曉軍

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

煤與瓦斯突出作為多因素多場耦合聯合致災的典型煤巖動力災害[1-2]，其顯著制約著突出礦井和高瓦斯礦井的開采強度和采掘深度。隨著國內外研究學者對煤與瓦斯突出機理研究的不斷深入[3-7]，2009年我國煤礦全面轉入“區域防突為主、局部防突為輔”的雙“四位一體”綜合防突措施階段，安全生產形勢逐年好轉，但煤與瓦斯突出事故仍時有發生，且呈現出突出瓦斯量小、中小型突出占比高等新的特征。煤與瓦斯突出多發生在地質構造帶及煤層賦存急劇變化處[8-10]，為實現煤礦井下地質構造的精細探測，王選琳等[11]在打通一煤礦開展了鉆孔雷達的試用驗證。國內的鉆孔雷達應用研究出現較晚，1999年中國礦大學者黃家會等[12]首次使用鉆孔雷達對北京市郊區范各莊奧陶系灰巖礦露頭區域開展了單孔反射測量；吉林大學的劉四新團隊[13-14]在鉆孔雷達軟硬件及雷達信號的數據解釋方面開展了全面深入的研究；ZTR7.2 礦用鉆孔雷達[15-16]的成功研發實現了煤礦井下地質構造的精細探測，但鉆孔雷達在煤礦井下的探測研究仍相對較少，而在防突領域的研究幾乎空白；舒龍勇等[17-18]、朱南南等[19]提出了煤與瓦斯突出關鍵結構體致災機理，并開展了煤與瓦斯突出危險精準辨識的理論方法與技術探索，初步研究了鉆孔雷達在突出防治中的應用效果。

因此，基于煤與瓦斯突出的地質結構環境特征，深入開展煤與瓦斯突出危險區超前精細探測技術研究，初步揭示鉆孔雷達精細探測的理論依據，深入研究煤巖介質及其破壞區域的鉆孔雷達響應特征，并通過現場實踐，探索超前精細探測-隨鉆快速反演相結合的煤與瓦斯突出危險高效精準預測技術體系。

1 煤與瓦斯突出危險區超前精細探測技術

采用鉆孔雷達技術對煤礦掘進工作面瓦斯地質異常體進行了超前探測及精準辨識。鉆孔雷達是于孔內發射高頻電磁波，實現了掘進工作面迎頭附近各種大型干擾源的有效規避，具有信噪比高、分辨率高且探測深度大等顯著優勢。鉆孔雷達單孔反射探測時，將雷達的發射接收偶極天線連接固定后放置于探測鉆孔中并以緩慢的速度勻速推進自動掃描探測成像，它向鉆孔周圍360°空間發射高頻電磁波，當其遇到非均勻體（界面）時，電磁波會發生反射和折射，根據能量守恒定理，反射波能量等于入射波和折射波的能量之差，上一界面的折射波作為下一界面的入射波，因此，隨著電磁波向外的不斷傳播，受界面不斷反射和介質的散射及吸收作用，入射波強度逐漸降低。鉆孔周圍地質鉆孔雷達探測成像示意圖如圖1。

圖1 鉆孔周圍地質鉆孔雷達探測成像示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological borehole radar detection and imaging around boreholes

反射電磁波的強度受入射波強度和反射系數的共同作用，其反射系數是由介質的相對介電常數決定的。

式中：R 為反射系數；ε1、ε2為圍巖和有害地質體的介電常數。

基于反射信號的時域剖面，根據孔壁反射波與異常體反射波的時間差△T，可算出異常體的深度。

式中：H 為異常體深度，m；V 為電磁波在地下介質中的傳播速度，m/s。

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，則：

式中：C 為電磁波在大氣中的傳播速度，3×108m/s；ε 為相對介電常數，取決于地下各層構成物質的介電常數。

鉆孔雷達通過光纖將發射接收天線與主機相連并進行數據采集、存儲、顯示、處理分析成像。根據鉆孔雷達反射信號的時域剖面，并結合反射信號同相軸的畸變形態和缺失位置以及回波信號的雙程走時，分析計算出鉆孔周圍瓦斯地質異常體的類型、規模及距離等關鍵參數，實現煤與瓦斯突出危險區域的精準辨識。理論和實踐表明，100 MHz 的雷達天線可以有效探測鉆孔周圍10～20 m 范圍內的地層信號，因此，能夠滿足煤礦掘進工作面精細探測的防突需求。

2 煤巖介質鉆孔雷達響應特征及差異

為研究煤巖介質及其破壞區域的鉆孔雷達信號響應特征，在平煤集團首山一礦，根據現場施工條件選擇己15-17 煤層12020 風巷底抽巷借助穿層預抽鉆孔開展鉆孔雷達精細探測試驗。采用JL-RADAR（A）鉆孔雷達監測儀分析軟件對原始探測數據進行漂移歸零、剔除壞道、背景濾波、數字濾波、振幅歸一和自動增益等操作，并得到的詳細探測結果。地質鉆孔雷達探測圖如圖2。

圖2 地質鉆孔雷達探測圖Fig.2 Detection diagrams of geological borehole radar

圖2（a）和圖2（b）為不同穿層鉆孔的精細探測試驗結果，其呈現出相同的鉆孔雷達信號響應特征。以圖2（b）測試結果為例，其測試深度17 m 左右，現場打鉆見巖情況表明，0～9 m 范圍為己15-17 煤層的底板巖層，9～14.5 m 范圍為己15-17 煤層，14.5～17 m 范圍為己15-17 煤層的頂板巖層。

圖2（b）中探測結果分為明顯的4 塊區域：0～2 m、2～9 m、9～14.5 m 和14.5～17 m。圖2（b）中沿鉆孔軸向0～2 m 巖孔范圍內，信號反射強烈，圖2（c）給出的鉆孔深度1.0 m 處的波列數據表明，鉆孔附近較大范圍內信號反射較為強烈，原因可能在于受巷道的采掘影響及鉆孔的施工擾動該范圍內的圍巖裂隙較為發育；圖2（b）中沿鉆孔軸向9～14.5 m 煤孔范圍內，信號反射強度次之，對比圖2（e）給出的鉆孔深度11.8 m 處的波列數據，可以看出，鉆孔附近一定范圍內存在較為強烈的反射信號，在遠離鉆孔的區域存在穩定微弱的波動，原因可能在于受鉆孔施工和應力集中影響，鉆孔周圍煤體孔隙裂隙發育，但破壞程度和破壞范圍均相對減小，引起局部區域的信號強烈反射，而在遠離鉆孔的原巖區域，煤體雖未受到應力破壞但其作為多孔介質，孔隙裂隙均有發育，引起微弱且穩定的信號反射；圖2（b）中沿鉆孔軸向2～9 m 和14.5～17 m 巖孔范圍內，反射信號非常微弱，對比圖2（d）和圖2（f）給出的鉆孔深度4.8 m 和15.4 m 處的波列數據，可以看出，僅鉆孔附近較小范圍內存在較為微弱的反射信號，遠離鉆孔的原巖區域幾乎無反射存在，原因可能在于受鉆孔施工和應力集中影響，但巖體較為堅硬，鉆孔周圍裂隙發育程度和范圍更小，引起更小區域內更弱的信號反射，而在遠離鉆孔的原巖區域，巖體未受應力破壞且較為致密均勻，基本無反射信號。

綜上所述，在裂隙發育區，鉆孔雷達信號反射強烈，且裂隙越發育，信號反射越強；在完整的多孔介質煤體內存在微弱且穩定的反射信號；在完整的致密均勻巖體內，反射信號微弱，幾乎沒有。因此，通過反射波振幅可實現對煤巖介質及裂隙發育區的判別。

3 突出危險超前精細探測技術現場應用

3.1 現場概況及測試方案

首山一礦井田位于許昌市襄城縣紫云鎮西南，平頂山市北東。井田主體構造為軸向320°的寬緩背斜（白石山背斜），地層傾角一般在8°～20°之間，斷層較發育。2006 年礦井共發生煤與瓦斯動力現象2次，后期經鑒定首山一礦為煤與瓦斯突出礦井，其中己15-17 煤層為突出煤層，厚度較為穩定，在4.11～6.5 m 之間，平均5.3 m；煤層傾角較為穩定，一般在3°～12°，平均7°。

根據己15-17 煤層的采掘部署及工程試驗條件，選擇己15-17-12110 機巷作為試驗考察地點。在己15-17-12110 機巷掘進面迎頭，借助區域驗證超前鉆孔，開展鉆孔雷達超前精細探測試驗；另外，借助施工的區域驗證鉆孔，采用煤層瓦斯含量和壓力快速測定儀（CWH200）實現瓦斯含量及瓦斯壓力的隨鉆檢測快速反演，同時，采用煤與瓦斯突出參數預測儀（YTC-10）測定突出危險性預測指標K1值和△h2。試驗裝備及鉆孔布置圖如圖3。

圖3 試驗裝備及鉆孔布置圖Fig.3 Test equipments and borehole layout

3.2 測試數據效果分析

在12110 機巷掘進面迎頭借助區域驗證超前鉆孔，開展鉆孔雷達超前精細探測試驗，12110 機巷工作面鉆孔雷達探測圖如圖4。

圖4（a）為2020 年8 月8 日0 點班的測試數據，橫軸為鉆孔深度，38 m 左右；縱軸為探測半徑，精準探測距離達到11 m。分析認為：鉆孔徑向，信號衰減正常，無明顯異常反射信號；鉆孔軸向，反射信號同相軸連線連續且與鉆孔近似平行，無明顯異常同相軸存在；整體無明顯異常信號，因此，鉆孔周圍介質均質性相對較好，未見明顯構造。

圖4（b）為2020 年8 月16 日8 點班的測試結果，探測深度60 m 左右。整體上沿鉆孔軸向，反射信號同相軸連線在35 m 以里消失，探測結果分為明顯的2 個區域：在鉆孔軸向0～35 m 范圍內，反射信號分布正常，無地質構造存在。

由圖4（c）可以看出，鉆孔附近信號反射較為強烈，隨著距鉆孔距離的逐漸增大，反射信號表現出微弱且平穩的波動特性，其符合多孔介質煤體信號響應特征；而在鉆孔軸向35～60 m 范圍內，基本無反射信號存在，說明無地質構造存在，鉆孔深度59.2 m 處的波列數據表明（圖4（d）），僅鉆孔附近較小范圍內存在微弱的信號反射，而在遠處區域幾乎無反射信號存在，其符合致密完整巖體的信號反射特征。

圖4 12110 機巷工作面鉆孔雷達探測圖Fig.4 Borehole radar detection diagrams of 12110 machine roadway working face

整體上，掘進面前方60 m 范圍內，無異常地質界面存在，但0～35 m 范圍和35～60 m 范圍內分布著不同屬性的介質，結合現場區域驗證超前鉆孔施工揭露情況，鉆孔深度0～35 m 范圍為多孔介質煤體，35～60 m 范圍內為堅硬致密的巖體。另外，相關研究表明[20]：煤巖介質的劇烈變化部位往往伴隨著局部的高應力區和低應力區以及較大梯度的應力分布，同時引起局部的高彈性能聚集區和高瓦斯內能富集區。根據超前精細探測結果，推測鉆孔深度30～35 m 范圍為突出危險區。

12110 機巷突出危險性指標測試結果如圖5。圖5 給出了區域驗證超前鉆孔施工后煤巷掘進的35 m 范圍內，即2020 年8 月17 日至2020 年8 月23日，突出預測指標瓦斯壓力p、瓦斯含量W、突出危險性預測指標K1值和△h2的隨鉆測試結果。

圖5 12110 機巷突出危險性指標測試結果Fig.5 Test results of outburst risk index of 12110 machine roadway

在2020 年8 月23 日之前，煤層瓦斯含量與壓力的快速反演結果以及鉆屑瓦斯解吸指標的隨鉆測定數據穩定波動，均未超過臨界值；2020 年8 月23日，在對鉆孔雷達探測范圍內的30～35 m 煤體進行日常預測時，煤層瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標雖未超過臨界值，但均有所增大，瓦斯壓力反演數據為0.87 MPa，超過臨界值0.74 MPa。因此，隨鉆檢測快速反演結果表明鉆孔雷達超前探測的30～35 m范圍為煤與瓦斯突出危險區。

瓦斯地質異常體超前精細探測結果和煤層瓦斯參數隨鉆快速反演數據均表明掘進面前方30～35 m范圍為煤與瓦斯突出危險區，因此，礦方應按照《防治煤與瓦斯突出細則》的要求采取局部防突措施，確保采掘作業的人員安全。

4 結 語

1）根據鉆孔雷達單孔探測反射信號的時域剖面，分析其反射信號同相軸的畸變形態和缺失位置以及回波信號的雙程走時，揭示出鉆孔周圍瓦斯地質異常體的類型、規模及距離等關鍵參數，實現煤與瓦斯突出危險區的超前精細探測。

2）在裂隙發育區，鉆孔雷達信號反射強烈，且裂隙越發育，反射信號越強；在完整的多孔介質煤體內，存在微弱且穩定的反射信號；而在完整的致密均勻巖體內，反射信號非常微弱，幾乎沒有。

3）煤與瓦斯突出危險區超前精細探測技術的現場應用實現了掘進面前方介質分布的精細探測，結合煤層瓦斯參數隨鉆快速反演技術，實現了煤與瓦斯突出危險區的精準辨識，為煤與瓦斯突出的高效精準預測提供了技術支撐和裝備保障。