煤礦小褶皺構(gòu)造地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

羅壽濤 仇念廣 祁云望

（1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司地質(zhì)測(cè)量部，陜西 韓城 715400;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著煤層開采向深部延伸，掘進(jìn)中地質(zhì)構(gòu)造問題也日益復(fù)雜[1]。針對(duì)日益復(fù)雜的構(gòu)造問題，主要是應(yīng)用地震波、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁、高密度電法等地球物理勘探技術(shù)為代表的物探技術(shù)[2]。其中地震波勘探技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)能夠很好地解決掘進(jìn)過程斷層、陷落柱等典型構(gòu)造問題，但是對(duì)巷道掘進(jìn)中遇到的造成煤層起伏的小褶皺研究相對(duì)較少。

小褶皺受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響而發(fā)育，小褶皺使得煤層起伏變化較大，在巷道掘進(jìn)過程中，常常需要變更巷道掘進(jìn)設(shè)計(jì)，增加了掘進(jìn)時(shí)間和掘進(jìn)成本，影響了生產(chǎn)效率，也不利于煤礦的安全生產(chǎn)。目前，對(duì)于小褶皺的探測(cè)主要以鉆探工作為主，但其施工較慢且成本較高。基于此現(xiàn)狀，本文利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，通過建立正演模型，數(shù)值模擬分析褶皺的地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)響應(yīng)特征，初步明確了地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)小褶皺的可行性，在象山礦井開展了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)，進(jìn)一步證明了地質(zhì)雷達(dá)可有效應(yīng)用于小褶皺超前探測(cè)。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)是通過向介質(zhì)體發(fā)射電磁波，在均質(zhì)介質(zhì)中電磁波的頻率、振幅、相位等波形特征基本保持不變，電磁波衰減特征不明顯。但是，當(dāng)電磁波遇到斷層、陷落柱、煤巖界面、破碎帶等電性差異較大的界面時(shí)，電磁波受到反射、折射、吸收等影響，呈現(xiàn)不同程度的衰減特征，其頻率、振幅、相位等波形信息變化較大。

在煤礦巷道掘進(jìn)中，若掘進(jìn)前方存在煤層起伏現(xiàn)象，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，發(fā)射的地質(zhì)雷達(dá)電磁波遇到煤巖界面時(shí)，煤、巖的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率有所差異，在該處會(huì)產(chǎn)生較為明顯的反射，由反射系數(shù)（公式1）可知煤、巖的這種電性參數(shù)差異越大，反射越明顯[3-5]。

式中：ε1、ε2分別為煤、巖的相對(duì)介電常數(shù)。

利用地質(zhì)雷達(dá)電磁波的反射特征差異性，即地質(zhì)雷達(dá)波形差異特征，可以確定異常地質(zhì)體的位置，以及其大小、產(chǎn)狀、形態(tài)特征等具體信息，其發(fā)育位置距探測(cè)點(diǎn)的位置可由地質(zhì)雷達(dá)的雙程旅行時(shí)、地質(zhì)雷達(dá)波速、發(fā)射天線和接收天線間距獲得，即：

式中：L為探測(cè)點(diǎn)與異常地質(zhì)體的距離，m；v為地質(zhì)雷達(dá)波速，m/s；t為地質(zhì)雷達(dá)電磁波由探測(cè)點(diǎn)到異常地質(zhì)體的雙程旅行時(shí)間，s；Δs為發(fā)射天線與接收天線的間距，m。

2 時(shí)域有限差分原理

地質(zhì)雷達(dá)是基于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的技術(shù)。1966 年K.S.Yee 提出了FDTD 時(shí)域有限差分法，通過建立Yee 元胞網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)了空間網(wǎng)格的離散化。離散化的網(wǎng)格空間比較有利于建立網(wǎng)格模型，進(jìn)行正演數(shù)值模擬。在正演模擬中，常常基于二維空間電磁波中的TM 波理論開展，TM 波主要由Hx、Hy和Es 組成。

建立正演模型，一般為正方形網(wǎng)格，其計(jì)算時(shí)間短、效率高。為確保解釋穩(wěn)定性，模型網(wǎng)格步長(zhǎng)和電磁波時(shí)間間隔需要滿足：

式中：Δt為電磁波時(shí)間間隔，s，Δd為網(wǎng)格步長(zhǎng)間隔，m；c為電磁波波速，m/s。

在FDTD 運(yùn)算中，空間網(wǎng)格離散化會(huì)造成色散，網(wǎng)格越小這一現(xiàn)象則越弱。但過小的網(wǎng)格，耗時(shí)更長(zhǎng)。因此，需要選取合適的網(wǎng)格步長(zhǎng)，根據(jù)Taflove的研究，一般需滿足：

建立的模型是有限空間，因此FDTD 限定了運(yùn)算空間，運(yùn)算過程中在模型邊界會(huì)存在一定程度的發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)。所以，一般采用PML 完全匹配吸收邊界條件，以降低消除反射，從而模擬無(wú)限的地質(zhì)雷達(dá)電磁場(chǎng)空間，以獲得更為真實(shí)的模擬效果。

3 正演模擬分析

3.1 正演模型建立

煤層中發(fā)育小褶皺時(shí)，造成煤層呈現(xiàn)為不同程度的起伏狀態(tài)，如圖1。地質(zhì)雷達(dá)順煤層探測(cè)時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)會(huì)遇到頂板或底板不同巖性，如泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖等。依據(jù)井下工況條件和地質(zhì)雷達(dá)最大探測(cè)距離，建立圖2 所示4 m×60 m的正演模型。

圖1 煤層小褶皺構(gòu)造示意圖

3.2 正演模擬參數(shù)

依據(jù)小褶皺探測(cè)遇到的地層巖性，建立如圖3所示正演模型。不同巖性的電性參數(shù)有所差異，依據(jù)前人研究成果，本次正演模型的數(shù)值模擬分析采用的電性參數(shù)見表1。

圖2 正演模型

表1 褶皺正演模型介質(zhì)的電性參數(shù)

為確保探測(cè)距離能夠達(dá)到50～60 m，地質(zhì)雷達(dá)主頻設(shè)為50 MHz，天線間距2 m，天線移動(dòng)步長(zhǎng)0.1 m，模型網(wǎng)格大小為0.02 m，時(shí)窗長(zhǎng)度為700 ns。

3.3 正演數(shù)值模擬分析

以上述正演模型及其電性參數(shù)為基礎(chǔ)，可得到如圖3 所示的正演模擬成果。

圖3 正演模擬成果

由圖3 小褶皺地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)數(shù)值模擬成果可見，地質(zhì)雷達(dá)電磁波在小褶皺處由于穿遇煤巖界面、泥巖砂巖界面以及不同砂巖反射界面時(shí)，均產(chǎn)生了反射界面，其呈現(xiàn)為多組連續(xù)強(qiáng)反射的特征。這為煤礦掘進(jìn)工作面小褶皺構(gòu)造地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)提供了理論支撐和解釋依據(jù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 地質(zhì)概況

象山礦井位于渭北石炭二疊紀(jì)煤田東部邊緣的韓城礦區(qū)，地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)。整個(gè)井田構(gòu)造形態(tài)基本上為走向NE—SW，傾向NW 的單斜構(gòu)造。井田發(fā)育的褶皺軸向以NW 向和近EW 向?yàn)橹?，次為NE 向，小褶皺使煤層形成了較為寬緩的波狀起伏，對(duì)生產(chǎn)礦井巷道布置和采掘生產(chǎn)有一定影響。

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在象山礦井南翼5#煤膠帶輸送機(jī)大巷14 點(diǎn)前96.3 m 處開展，該巷道已掘進(jìn)部分揭露小斷層和小褶皺。該區(qū)域內(nèi)5#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含泥巖夾矸一層，厚度0.1～0.3 m，平均0.20 m，煤層厚度2.6～3.1 m。煤層偽頂為0.1～0.2 m 黑色泥巖，直接頂為厚度1.0～2.3 m、平均厚1.5 m 左右的灰色細(xì)砂巖、灰黑色粉砂巖，老頂為厚度2.4～10.6 m、平均厚7.0 m 左右的灰色中砂巖、黑色粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。直接底板為厚0.9～1.4 m 的黑色泥巖，底板為厚度1.0～9.4 m 的黑色砂質(zhì)泥巖或泥巖。巷道頂板距3#煤層底板17～20 m，巷道底板距11#煤層頂板31.2～35 m。

4.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析

本次試驗(yàn)在掘進(jìn)工作面布置了兩條自左向右的水平測(cè)線，頻率50 MHz，天線間隔2 m，天線移動(dòng)步長(zhǎng)0.1 m，采樣時(shí)窗1000 ns，采樣間隔1600 ps，疊加次數(shù)64，增益90 dB，波速0.18 m/ns。探測(cè)采集方式采用人工單點(diǎn)手動(dòng)采集，此外為利于后期處理解釋分析，采用天線移動(dòng)一次，連續(xù)采集5 次的方式，以獲得更多的數(shù)據(jù)。

采集后的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到如圖4所示的成果圖。測(cè)線L1、L2在260 ns 處，即23.3 m 處均存在明顯的連續(xù)強(qiáng)反射，且左側(cè)相對(duì)右側(cè)較強(qiáng)。而根據(jù)前期掘進(jìn)進(jìn)尺情況可知，巷道內(nèi)主要揭露的為小斷層和局部小褶皺，但是斷層一般表現(xiàn)為單一的強(qiáng)反射，即一條強(qiáng)反射界面。然而，該處的異常地質(zhì)雷達(dá)波呈現(xiàn)為多組的連續(xù)強(qiáng)反射，與前期小褶皺的正演數(shù)值模擬結(jié)果一致。可見這一組連續(xù)強(qiáng)反射可能為地層連續(xù)變化的響應(yīng)，即可能為煤層產(chǎn)狀變化形成的多個(gè)煤巖反射界面，即小褶皺。其他區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)異常響應(yīng)不明顯，由此分析推測(cè)，掘進(jìn)正前方50 m 范圍內(nèi)在23.3 m 處可能存在小褶皺構(gòu)造發(fā)育。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果（左：L1、右：L2）

4.3 成果驗(yàn)證。

針對(duì)本次地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)到的小褶皺構(gòu)造進(jìn)行跟蹤，后期巷道掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)在22.6 m 處煤層開始向下傾，進(jìn)一步跟蹤揭露了該處為寬34 m 的小向斜構(gòu)造。由此可見，地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)基本確定了向斜的發(fā)育位置，可為煤礦巷道安全掘進(jìn)提供可靠的地質(zhì)預(yù)報(bào)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)在煤礦巷道小褶皺構(gòu)造探測(cè)應(yīng)用中的有效性。巷道掘進(jìn)揭露情況如圖5。

圖5 巷道掘進(jìn)揭露情況

5 結(jié)論

特征，可依此規(guī)律指導(dǎo)地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)成果解釋。