地質雷達在烏東煤礦急斜煤層地質異常區的應用

盧 儉 王洪民

1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.神華新疆能源有限責任公司，新疆維吾爾自治區烏魯木齊市，830027）

隨著國家煤炭資源整合政策的實施，神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦上部的原曙光村煤礦被迫關閉，原有礦井技術人員整合入烏東煤礦。原曙光村煤礦生產混亂，其老舊采空區位置與原開采的空間范圍尚不確定。當前神新能源公司烏東煤礦+600m水平南、北掘進巷位于原曙光村煤礦老舊采空區范圍正下方，采場圍巖極易貫通工作面上方的原有老舊采空區，形成供氧通道，那么，原有老舊采空區內遺留煤體就會發生自燃，且采空區內的有毒有害氣體與老窯積水也會通過豐富的裂隙網進入現有采場空間，這將給烏東煤礦生產安全造成重大隱患。因而為了探明烏東煤礦+600m 水平現有開采水平上方老舊采空區的位置情況，需采用先進的探測設備進行探測，以確保礦井安全高效生產。

1 現場探測方案設計

1.1 探測設備的選取

現場一般通過鉆探的手段對位置區域進行探測，但探測手段單一，實施過程費時費力且只能對特定區域、地點進行探測，而對兩個特定測點之間的未知區域是否存在安全隱患卻無能為力。探地雷達技術是一種用于確定地下介質分布的廣譜（1 MHz-1GHz）電磁技術，高頻短脈沖電磁波為地質雷達所發射的主要類型電磁波，由一體化主機、發射部分、接收部分及配套軟件等組成，以電磁波的傳播規律為基礎，以分析電磁場分布及電磁波在老舊采空區中傳播規律為理論。當電磁波在巖體介質傳播中遇到異性物質 （如老舊采空區）時，雷達探測圖像會因探測巖體的電性差異而產生反射波，被監測設備接收。通過分析探地雷達上探測圖像的同相軸畸變特征用于推斷探地雷達探測目標對象的波形旅行時間等數據，計算探測物理目標體所在的位置。

當老舊采空區中巖體介質中的電荷充電具有有限響應時間時，其對外部慢速的變化體現出似穩特征，而對外部快速的場變化體現出自由運動特征。依據能量損耗和能量存儲的相對強度大小，波場呈現出凋落和波動特性。因而地質雷達的采用能很好地完成對原曙光村煤礦老舊采空區的實時連續性探測工作。故選用SIR-20高速地質雷達光譜地磁探測技術對采空區進行探測。

1.2 探測設備位置的確定

為了使探測結果準確可靠，更貼近現場的真實情況，根據烏東礦提供的地質資料，優化確定了基于地質雷達的老舊采空區探測實施區域。烏東煤礦+600m 水平東冀45＃煤層工作面位于副斜井筒東側，煤層傾角45°。曙光村煤礦已對該急傾斜煤層淺部資源進行了回采，其開采邊界位于烏東煤礦東翼走向2650～2850m 之間，因此，確定對原曙光村煤礦老舊采空區正下方+600m 水平45＃煤層東翼南巷2650～2850m 范圍進行2次探測，探測深度為35m。選取探測天線的角度分別為30°和45°，具體探測方案的布置如圖1所示。

2 探測結果分析

2.1 30°雷達測角結果

探測天線角度為30°時，南巷地質雷達探測結果見圖2。圖2 （a）雷達線掃描圖為南巷走向2750～2800m 范圍，矩形圈定的位置為垂直測程40～260ns，主要呈現出明顯的層狀分布特點，電磁波同相軸連續，未出現明顯的起伏；橢圓圈定的位置為垂直測程280～380ns（巷道上方2.5～4.0 m 范圍），電磁波同相軸相位出現異常，出現明顯的起伏甚至不連續，確定該區域為探測異常區域。結合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，判定在走向2750～2800m 范圍內距巷道上方2.5～4.0m 范圍內煤巖體內部破碎嚴重，存在老舊采空區。

圖1 SIR-20高速地質雷達探測設計圖

圖2 測角為30°的探測結果

圖2 （b）雷達線掃描圖為南巷2800～2850m范圍的探測結果。矩形圈定的位置為垂直測程30～240ns，圖像出現波浪形突變，未見清晰的條帶分層，且圖像主色調發生變化；電磁波同相軸出現起伏，整體交替分布顯著，表明該區域未出現較為明顯的地質異常區域。橢圓圈定的位置為垂直測程260～360ns（巷道上方2.5～3.5 m 范圍），電磁波同相軸呈現零亂狀、突變明顯，并存在波形呈疊加狀的趨勢，判定該區域為探測異常區域。通過預先留設的導水孔，探明該區域出現異常是由于煤體內所富存的水體。疏導水過程中最大排水量達10.2m3／h。

2.2 45°雷達測角結果

探測天線角度為45°時，南巷地質雷達探測結果見圖3。圖3 （a）雷達線掃描圖為南巷走向2785～2765m 范圍，矩形圈定的位置為垂直測程60～250ns，測程內圖像呈現較為清晰的條帶狀交替分層特點，未見地質異常區域；橢圓圈定的位置為垂直測程300～400ns（巷道上方2.1～2.8m 范圍），測程內圖像由層狀向散狀分布過渡，電磁波同相軸相位出現異常，出現明顯的起伏甚至不連續并出現部分波形疊加，確定該區域為探測異常區域。結合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，分析認為巷道上方2.1～2.8m、南巷走向2785～2765m 范圍煤巖體破碎嚴重，為老舊采空區。

圖3 （b）雷達線掃描圖為南巷2750～2700m范圍的探測結果。矩形圈定的位置為垂直測程40～180ns，測程范圍內探測圖像為同層狀分布特征顯著，電磁波同相軸偏轉量增大，但未見顯著的突變現象，由此表明此區域未出現異常，巖層完整，但巖層相對介電常數增大，導致同相軸偏轉量發生變化；橢圓圈定的位置為垂直測程240～300ns（巷道上方1.4～2.0 m 范圍），測程內圖像突變，反射波信號比較密集，頻率較高，波形能量激增，由層狀向散狀分布過渡，表明該區域存在相對介電常數突增的介質材料，且電磁波同相軸相位出現異常，出現明顯的起伏甚至不連續，并出現部分波形疊加，確定該區域為探測異常區域且所含介質材料相對介電常數顯著大于周邊巖層。通過預先留設的導水孔，探明該區域出現異常是由于煤體內所富存的水體，且巖體破裂顯著，裂隙發育較明顯。

圖3 （c）雷達線掃描圖為南巷2680～2650m 范圍的探測結果。矩形圈定的位置為垂直測程60～200ns，測程段圖像呈現較明顯的高能波浪形分層，電磁波同相軸偏轉量增大，但未見顯著的突變現象，由此表明此區域未出現異常，巖層完整，但巖層相對介電常數增大，導致同相軸偏轉量發生變化；橢圓圈定的位置為垂直測程240～280ns（巷道上方1.4～1.7 m 范圍），圖像有一條低能率層狀條帶，測程段內電磁波同相軸偏轉且波形異常交錯分布，波形零亂，界面不連續，存在地質異常區域。結合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，分析認為在走向2680～2650m 范圍內距巷道上方1.4～1.7m 內為老舊采空區，煤巖體破碎嚴重，裂隙發育明顯。

圖3 測角為45°的探測結果

3 結論

（1）南巷30°測角探測結果表明：在走向2750～2780m 范圍內距巷道上方2.5～4.0m 范圍內煤體破碎嚴重，存在老舊采空區；在走向2800～2850m 距巷道上方約2.5～3.5m 范圍內的煤層含水量較為豐富。

（2）南巷45°測角探測結果表明：走向2785～2765m 范圍距巷道上方約2.1～2.8m 處煤巖體破碎嚴重，為老舊采空區；在走向2750～2700m 距巷道上方1.4～2.0m 范圍內出現異常是由于煤體內所富存的水體，且巖體破裂顯著，裂隙發育較明顯；在走向2680～2650m 距巷道上方1.4～1.7m范圍內為老舊采空區，煤巖體 破碎嚴重，裂隙發育明顯。

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