KJH-D 型防爆探地雷達(dá)在新景礦掘進(jìn)巷道的應(yīng)用

劉建偉

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)具有快捷靈敏、高度適應(yīng)性等特點(diǎn)[1-2]。目前該技術(shù)主要用于地質(zhì)工程和巖土工程勘察等方面[3-4]。新景礦屬煤與瓦斯突出礦井，瓦斯的賦存規(guī)律及突出機(jī)理與礦井的構(gòu)造條件、煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性條件和瓦斯壓力等方面密切相關(guān)。

1 探地雷達(dá)探測(cè)原理

探地雷達(dá)通過發(fā)射天線以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面（如遇到裂隙、空洞等）產(chǎn)生反射波。該反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，同時(shí)接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波，兩種波被接收機(jī)在終端顯示。基于數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，依據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)的參數(shù)可預(yù)測(cè)掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)構(gòu)造[5]。

2 新景礦雷達(dá)波速實(shí)測(cè)

為取得新景礦的雷達(dá)波速，在3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷、3215 回風(fēng)巷間、3215 回風(fēng)巷已知陷落柱處進(jìn)行了五次雷達(dá)波速測(cè)試。雷達(dá)波速V=巷間距H×2/雙程旅行時(shí)T。實(shí)測(cè)可得：

（1）3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷與3215 回風(fēng)巷間，響應(yīng)雙程旅行時(shí)為380 ns 處，巷間距為35 m，平均波速V=0.184 m/ns。

（2）3215 回風(fēng)巷S991 測(cè)點(diǎn)探測(cè)側(cè)幫內(nèi)27 m 已知陷落柱。探測(cè)顯示在300 ns 處出現(xiàn)電磁波急劇衰減，屬陷落柱的雷達(dá)響應(yīng)。平均波速V=0.18 m/ns。

3 井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

（1）掘進(jìn)巷道迎頭超前探測(cè)

在掘進(jìn)巷道迎頭超前探測(cè)時(shí)，要將發(fā)射和接收天線豎起來，平行貼緊掘進(jìn)面，方向朝著掘進(jìn)前方進(jìn)行探測(cè)采集數(shù)據(jù)，如圖1。

圖1 巷道迎頭超前探測(cè)異常體示意圖

（2） 掘進(jìn)巷道側(cè)幫探測(cè)

掘進(jìn)巷道側(cè)幫探測(cè)主要是沿巷道的走向做長距離的連續(xù)探測(cè)，形成幾十米至數(shù)百米長的連續(xù)探測(cè)剖面，同一測(cè)線的探測(cè)剖面可以進(jìn)行相互比對(duì)分析，將剖面上每個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得的雷達(dá)回波異常點(diǎn)串聯(lián)起來，就構(gòu)成反射界面的趨勢(shì)圖線，根據(jù)趨勢(shì)圖譜可以分析異常體的形狀和性質(zhì)，如圖2。

圖2 巷道側(cè)幫超前探測(cè)異常體示意圖

（3）掘進(jìn)巷道頂?shù)装逄綔y(cè)

將雷達(dá)天線放置于煤層底板或頂板，從而實(shí)現(xiàn)頂板或底板探測(cè)。結(jié)果處理和地質(zhì)分析與側(cè)幫探測(cè)類似。分析煤巖層的位置、形態(tài)和展布特點(diǎn)，從而可以定性了解上下相鄰煤巖層的厚度、分布等地質(zhì)情況，如圖3。

圖3 巷道頂?shù)装宄疤綔y(cè)異常體示意圖

4 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

讀取導(dǎo)出的雷達(dá)數(shù)據(jù)，需先進(jìn)行預(yù)處理，主要有時(shí)窗切除、廢道剔除等。最后對(duì)雷達(dá)信號(hào)增益處理，放大信號(hào)，便于技術(shù)人員識(shí)別和解釋。

（1）時(shí)窗切除

本次采用1400 ns 以留有多余的時(shí)窗。因此，在處理時(shí)可將無用的后期數(shù)據(jù)進(jìn)行切除，如圖4，將部分后期數(shù)據(jù)切除，突出前期有效數(shù)據(jù)，利于成果解釋。

圖4 時(shí)窗切除圖

（2）廢道剔除

雷達(dá)在采集探測(cè)過程中，受煤巖體的平整度以及鉆桿、支護(hù)等干擾，個(gè)別道信號(hào)較差，不能用于解釋，同時(shí)還會(huì)在處理過程中壓制正常道，造成有效信號(hào)的失真。對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行廢道處理最為直接有效，如圖5。

圖5 廢道剔除圖

5 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與地質(zhì)資料對(duì)比分析

5.1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

（1）3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷S976 南52.5 m 迎頭處超前探測(cè)

本次探測(cè)有效探測(cè)距離60 m 內(nèi)，成像表現(xiàn)為總體上無明顯強(qiáng)反射和衰減，不存在較大構(gòu)造。淺部區(qū)域存在局部弱反射，推測(cè)可能是因迎頭現(xiàn)場(chǎng)鉆孔造穴施工引起的煤體破碎而產(chǎn)生的雷達(dá)響應(yīng)，在后期掘進(jìn)過程中需加強(qiáng)關(guān)注。經(jīng)驗(yàn)證，巷道鉆探與掘進(jìn)過程中均未見明顯地質(zhì)構(gòu)造，煤層發(fā)育連續(xù)穩(wěn)定。

（2）3215 回風(fēng)巷S1001 南45.4 m 迎頭超前探測(cè)

本次探測(cè)位置為3#煤3215 回風(fēng)巷S1001 南45.4 m 處，探測(cè)方向?yàn)榫蜻M(jìn)工作面正前方，有效探測(cè)距離約50 m。電磁波整體反射較穩(wěn)定，測(cè)線右側(cè)2 m 附近雷達(dá)反射波異常，反射波波形呈條帶狀，并且從頂端一直延續(xù)到末端，為雷達(dá)天線與掌子面未貼好造成的干擾。探測(cè)前方400 ns（約36 m）附近有較強(qiáng)電磁波反射，可能存在斷層或者煤層賦存形態(tài)變化引起反射波增強(qiáng)。經(jīng)驗(yàn)證，鉆探、掘進(jìn)過程中未見明顯地質(zhì)異常，前期施工個(gè)別造穴孔存在噴孔現(xiàn)象，探測(cè)35 m 附近處在掘進(jìn)過程中未見明顯地質(zhì)異常，雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與實(shí)際揭露情況存在偏差。

（3）3215 回風(fēng)巷與輔助進(jìn)風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷（S976-S1001）底板探測(cè)

本次探測(cè)位置為3#煤3215 回風(fēng)巷與輔助進(jìn)風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷（S976-S1001），測(cè)線由3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)S976 起至10 m 長結(jié)束，探測(cè)方向?yàn)橄锏赖装濉?/p>

本次底板探測(cè)，采集參數(shù)除波速外其他參數(shù)與迎頭超前探測(cè)參數(shù)基本一致，探測(cè)深度接近40 m。雷達(dá)反射波呈現(xiàn)高頻同相軸現(xiàn)象。330 ns（約20 m）處有強(qiáng)雷達(dá)反射波出現(xiàn)，應(yīng)為下覆煤層，這與井田地層分布的下覆6#號(hào)煤層情況基本一致。

（4）3215 回風(fēng)巷S991 處側(cè)幫探測(cè)

本次探測(cè)位置為3#煤3215 回風(fēng)巷S991 處，探測(cè)方向?yàn)榫蜻M(jìn)巷道側(cè)幫向3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷方向。有效探測(cè)距離60 m 范圍內(nèi)，雷達(dá)反射特征明顯，在約27 m、36 m、55 m 附近出現(xiàn)強(qiáng)反射。27 m 處淺反射后雷達(dá)波形能量減弱，可能為發(fā)育陷落柱邊界。36 m 處為多次強(qiáng)反射，應(yīng)為空巷，即3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷。55 m 處反射后雷達(dá)波形能量減弱，可能為陷落柱周邊煤層破碎帶。

（5）3215 回風(fēng)巷S997 南50 m 處側(cè)幫探測(cè)

探測(cè)位置為3#煤3215 回風(fēng)巷S997 南61 m 處，探測(cè)方向?yàn)榫蜻M(jìn)巷道側(cè)幫向3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷方向。有效探測(cè)距離50 m 范圍內(nèi)，雷達(dá)反射波較穩(wěn)定，在14 m 附近出現(xiàn)強(qiáng)反射，后續(xù)雷達(dá)波形能量減弱，可能為發(fā)育陷落柱邊界。此外，在29 m 附近也出現(xiàn)類似雷達(dá)電磁波回波特征，可能為陷落柱附件煤層破碎帶。

（6）3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷S984 南106 m 迎頭處超前探測(cè)

本次探測(cè)位置為3#煤3215 輔助進(jìn)風(fēng)巷S984 南106 m 處，探測(cè)方向?yàn)榫蜻M(jìn)工作面正前方，有效探測(cè)距離約50 m。其雷達(dá)波形總體上反射連續(xù)完整，反射回波無明顯強(qiáng)反射，也無明顯衰減，推斷不存在較大構(gòu)造。

5.2 探測(cè)結(jié)果分析

在對(duì)巷道進(jìn)行探測(cè)和數(shù)據(jù)處理后，與探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，具體雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 探地雷達(dá)試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

（1）采用KJH-D 探地雷達(dá)在新景公司掘進(jìn)巷道進(jìn)行探測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)83%，探測(cè)距離可達(dá)60 m，適用于掘進(jìn)巷道的圍巖的探測(cè)。

（2）雷達(dá)井下探測(cè)適用于掘進(jìn)巷道的迎頭、側(cè)幫、底板的探測(cè)。探測(cè)時(shí)要保證煤（巖）壁的平整度，保證天線與煤（巖）壁耦合效果，消除或減弱金屬、帶電設(shè)備等干擾源。迎頭及其他較短的測(cè)線，可增加采集次數(shù)，以提高數(shù)據(jù)量利于后期處理分析。

（3）總結(jié)了雷達(dá)波形反射特征。完整煤（巖）體：反射波連續(xù)均一，呈規(guī)律緩慢衰減。斷層：強(qiáng)振幅反射，同相軸連續(xù)，能量衰減極快。陷落柱：強(qiáng)振幅反射，同相軸連續(xù)，能量衰減較快。空巷或采空區(qū)：強(qiáng)振幅兩次或多次反射，同相軸連續(xù)，能量衰減較快。天線與煤（巖）壁不耦合：反射連續(xù)均一，能量不衰減。金屬干擾：雜亂反射，有規(guī)律緩慢衰減。