矿井探地雷达井下快速超前探测与数据分析

2011-01-11梁庆华

物探化探计算技术 2011年5期

关键词：雷达探测探地波形

梁庆华

(1.中南大学信息物理工程学院，湖南长沙 410083;2.煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆400037)

矿井探地雷达井下快速超前探测与数据分析

梁庆华1、2

(1.中南大学信息物理工程学院，湖南长沙 410083;2.煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆400037)

煤矿井下条件复杂，生产进度快，探测掘进面平整度差。为了准确探测矿井掘进工作面前方地质构造情况，基于探地雷达反射原理，介绍探地雷达在井下工作实用探测方式，探讨了井下探地雷达数据处理和波形分析方法，结合在煤矿井下的应用试验，分析探地雷达实际使用效果，指导煤矿安全生产。

矿井;防爆;探地雷达;复杂环境;超前探测

0 前言

探地雷达具有高探测分辨率和高工作效率的特点，目前已经逐渐成为浅部地球物理勘探的一种重要手段［1］。与一般的电法探测技术相比较，探地雷达方法的优势在于它能直接识别地下目的体，不需要特别复杂的理论推演。近年来，煤炭科学研究总院重庆研究院生产的KJH－D型防爆探地雷达，开始在多个矿业集团进行推广应用［2］。煤矿井下环境复杂，而且存在瓦斯、水等灾害，探测掘进面的凹凸不平，以及掘进机和钻孔的影响等，对于探地雷达井下探测来说，是一个较大的挑战。

1 基本原理

探地雷达(GroundPenetratingRadar，简称GPR，又称地质雷达)方法是一种用于确定地下介质分布的光谱(1MHz～1GHz)电磁技术［3］。如图1所示，探地雷达利用发射天线T发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线R接收来自地下介质的界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形，将随所通过介质电性的性质和几何形态而变化［3］。因此，根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度与波形资料，可推断出介质的结构和形态大小。

图1 探地雷达原理示意图Fig.1 TheschematicdiagramofGPRprinciple

防爆探地雷达探测目标体的距离定位，可通过公式(1)来计算［4］。

式中 l为目标体离探测点的距离;v为雷达波在介质中的速度;t为雷达波在介质中的双程走时。

反射界面深度计算公式近似为:

式中 H为反射界面深度;x为雷达发射和接收的间距;v为雷达波在介质中的速度;t为雷达波在介质中的双程走时。

对于介质为井下煤层而言，雷达波在煤层中的速度v，可以根据式(3)求出。

式中 v为雷达波在煤层中传播的速度;c为光在真空中的传播速度(c=3×108m/s);ε'为雷达波在煤层中传播的相对介电常数。

煤的相对介电常数变化不大，从褐煤到无烟煤，ε'为2.3 ～3.6［5］，则电磁波在煤层中传播速度v为0.15m/ns～0.19m/ns。在没有已知资料的情况下，一般取v为0.18m/ns，也可通过其它方法进行测定［6］。

2 煤矿井下巷道掘进面探测工艺

在煤矿巷道掘进头超前探测时，在巷道掘进面上架设发射天线和接收天线，在掘进面上同时发射脉冲信号和接收反射回来的脉冲信号，然后根据回波信号走时来计算异常体界面的距离和位置，如图2所示。

目前，由于井下的掘进面比较狭小，雷达天线频率大多选择100MHz，天线间距一般在1m。经过大量的井下数据采集工作经验，获得了如下探地雷达井下探测实用工艺。

(1)选址:选择要探测的目标体。选址要注意探测巷道尽量保证平缓，在探测巷道周围尽量做到无铁块、无电缆线、无锚杆等异常体。

(2)清理覆煤:利用工具对探测目标体覆煤进行清理，以利于天线平行放置，且与探测面紧贴。

(3)布置测线:在选定的掘进面布置测线，既能探测到目标体，又能利于天线移动操作。用测量尺标好探测距离，一般采用同一条测线从左往右、从右往左不同的方式，以利于探测结果相互印证。

(4)工作方法选择:根据探测目标体的实际情况，选择共中心点法、反射法等方法。井下实际采用大多选择反射法，在探测时可以采用从左到右、从右到左、从上到下、从下到上等不同形式，保证探测目标体在测线范围内。

(5)采集数据:探测一般需要四个人员，其中二个探测人员负责天线的移动与平行，一个探测人员操作仪器，一个探测人员负责测线布置与指挥。在探测时，要注意天线的贴紧与平行。在数据采集时，天线移动步距要小，一般移动0.1m采集一次;在天线贴紧不动时方可采集。

(6)数据回放:数据回放以确定采集工作已存盘。同时，针对异常体的异常回波，对异常体采取加密采集。

(7)采集结束:在采集结束时，存盘，关机，收拾仪器，放回仪器箱，设备清点无误后方可离开。由于井下覆煤较多，容易造成一些小仪器件的丢失，因此下井要备用一个袋子专门装小的仪器件。

为保证探地雷达在井下安全地实施探测工作，保证探测质量，除了按照《煤矿安全规程》有关规定执行，还要采取以下安全技术措施。

(1)下井前充分了解需探测地点的各方面情况，以保证地质超前探测的顺利进行。

图2 煤矿巷道掘进头雷达超前探测示意图Fig.2 Theadvancingdetectionradardiagramoftheminetunnelheading

(2)到探测地点后，由安全员检查掘进面支护情况，由瓦检员检查掘进面瓦斯情况，并将检查结果向现场负责人汇报。在确定瓦斯浓度不超标，顶板支护安全的情况下，方可进行探测。

(3)探测掘进面需通风良好。若发现工作面存在通风不良等隐患，必须首先处理，达到要求后方可开展探测工作。

(4)在探测时，探测区域要停止煤层掘进，顶板支护等项工作。

3 井下数据采集处理方法

防爆探地雷达主要针对煤矿井下应用，现场需要快速、简便的数据处理方法，因此相对简单、实用、有效的数据处理手段，是矿井防爆探地雷达的最好选择。

雷达波形的处理，主要是设置增益。增益的设置是放大深部信息的信号，使它们能和浅部的信息一起显示出来，便于技术人员识别和解释。经过大量的试验验证资料，防爆探地雷达一般采用自动增益(AGC)来处理数据，具体数学公式见式(4)。

W'(t)=W(t)G(t) (4)其中 W'(t)为使用自动增益后的雷达波形记录;W(t)为原始雷达波形记录;G(t)为动态增益参数因子。

采用自动增益技术，将深部弱小信号的能量强度，放大到和浅部的强大信号同一个数量级，从而平衡不同深度的雷达信号，得到一个整体的信息对比。其中，动态增益参数因子由软件自动计算，不需要人工参与计算，该方法操作比较简单，便于推广应用。

4 井下雷达数据分析技术

作者经过大量的实践经验总结认为，井下雷达波形的分析主要看波形明显的回波异常区域和明显的波形分界线。基于此，井下雷达分析方法可以分为波形明显的回波异常分析法和波形明显的分界线法。对于一些掘进面不平等造成的干扰因素，分析时要注意剔除。

4.1 波形明显的回波异常分析法

由岩体物性差异造成的波形明显的异常回波是雷达波分析的基础，几乎大部份的探测异常都是通过这种方法分析得出的。这种方法在矿井雷达数据分析中也经常被采用。但在使用时，要注意一些干扰因素的影响，有时候对于一些非常小的断层造成的异常回波分析困难，尤其是断距在1m以下的断层，影响更为明显。

图3～图5(见下页)为探测实例。仪器采用KJH－D防爆型探地雷达，天线频率100MHz，采样时窗800ns，天线间距1m，采集方式采用反射法，电磁波在煤层中的波速设为0.18m/ns。

由图3～图5明显看出，雷达分析方法反射回波均存在明显的反射异常区域。

图3中，17m异常区域明显出现断痕。

图4中，在5m处波形明显发生变化，波形的条幅由细变粗;

图5中，在16.5m处明显产生了一条粗且黑的反射波。

这三个例子均存在明显的反射异常回波，这种实例在矿井中比较常见。波形明显的回波异常分析法，在矿井中也常被用到。但有时前方煤体破碎也会造成一定的干扰，所以需要进行仔细的分析判断。

4.2 波形明显的分界线法

由于深部信号比较微弱，若是遇到小的构造，必然造成信号衰减的异常，形成的探测图形就会有明显的衰减界线，在分界线以上浅部雷达回波完整，波形比较正常;在分界线以下深部雷达回波基本看不到，形成一片无回波区域。对这样的界面分析时，就要注意异常的存在可能性。

图3 紫金矿3204工作面切眼超前雷达探测成果图(17m断层)Fig． 3 The advancing radar detection results map of 3204 mining face cut in Zijin mine ( 17 m faults)

图4 新阳矿六采3#煤集中轨道巷雷达探测成果图(5m处进入陷落柱边界)Fig． 4 The radar detection results map of 3# coal concentrated track tunnel in Xinyang mine six mining area ( 5 m fall intothe border of column)

图5 紫金矿一采区轨道上山雷达探测成果图(16.5m采空区)Fig． 5 The radar detection results map of uphill tunnel in one mining area of Zijin mine ( 16． 5 m gob)

图6 新阳矿六采3#煤集中轨道巷雷达探测成果图(10.9m陷落柱边界)Fig． 6 The radar detection results map of 3# coal concentrated track tunnel in Xinyang mine six mining area( 10． 9 m fall column boundary)

一般正常的雷达回波在煤层中穿透距离约20m～30m左右，而界面在20m以前，则可以推断存在一定的构造异常或者破碎带。

图6～图8为探测实例。仪器设置同4.1中所设。以上图6、图7及图8均有分界线形成的异常。这种分析方法要注意地质条件:

(1)在相同的地质条件和探测条件下，雷达波明显传播距离短，可以推断存在地质异常。

(2)但在掘进面影响因素较大时(例如存在较大的凹凸不平，存在大的钻孔等情况)，要谨慎分析。

5 结论和展望

(1)由于受到煤矿井下环境的制约，井下探地雷达探测要采取一定的安全措施，探测时尽量多布置几条测线，以便相互印证。

(2)井下雷达探测数据处理，一般采用自动增益AGC来处理，能简单、快速、方便地进行数据处理工作，较好地反映了地质信息。

图7 紫金矿西翼回风巷侧帮雷达探测成果图(23m保安煤柱边界)Fig． 7 The radar detection results map of return air tunnel side in west of Zijin mine ( 23 m border security pillar)

图8 河东矿四采区轨道巷雷达探测成果图(23m断层)Fig． 8 The radar detection results map of track tunnel in four mining area of Hedong mine ( 23 m fault)

(3)井下雷达波形异常分析，主要采用波形明显的回波异常分析法和波形明显的分界线法。这两种方法基本能解决井下雷达数据分析异常问题。

防爆探地雷达技术作为一种新型的近距离矿井物探技术，其优点和缺点都特别明显。优点是井下施工快速，探测时间一般在10min左右，基本不影响生产;缺点是探测距离较短，一般在30m～50m范围内。通过广大科技人员在实践中不断地完善和发展，提升优点，克服缺点，使矿井探地雷达将会为更多的煤矿服务，取得更大的成就。

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