低頻地質(zhì)雷達(dá)在井下地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

＊楊樂宇

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高陽(yáng)煤礦 山西 032302）

引言

我國(guó)煤炭資源十分豐富且地域分布遼闊，同時(shí)煤炭作為我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要能源之一，在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人民日常生活中都有著十分重要的作用，因此對(duì)煤炭資源的高效、安全開采顯得異常重要。煤炭開采時(shí)受斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造影響[1]極大，工作面中若存在斷層、陷落柱不僅會(huì)影響煤礦的正常生產(chǎn)、降低煤炭礦井開采的利用率及回收率，而且會(huì)威脅煤礦的安全生產(chǎn)，甚至?xí)o國(guó)家和人民帶來極為慘重的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。例如，礦井水災(zāi)、瓦斯事故以及采煤沉陷等都與斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育有著緊密的聯(lián)系，主要體現(xiàn)如下：（1）斷層、陷落柱是導(dǎo)致出水事故的關(guān)鍵，很多的災(zāi)害性突水都是源于斷層導(dǎo)水；（2）斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域會(huì)造成瓦斯富集，在高瓦斯或瓦斯突出礦井，斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育帶發(fā)生煤與瓦斯突出事故的概率較高，其危險(xiǎn)程度又與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的復(fù)雜程度關(guān)系較密切。綜上所述，采用新方法對(duì)煤層中斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行高精度探測(cè)已經(jīng)迫在眉睫。

目前在礦井生產(chǎn)過程中對(duì)巷道前方及側(cè)幫的地質(zhì)異常預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)仍然以鉆探為主，但鉆探效率低，且鉆探為一孔之見，成本高，故僅利用鉆探進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的需要。因此，急需引進(jìn)一些高效、快捷、精確的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)方法，根據(jù)預(yù)報(bào)方法的探測(cè)成果適當(dāng)布設(shè)針對(duì)性強(qiáng)的地質(zhì)構(gòu)造鉆孔，通過新方法的探測(cè)結(jié)果與鉆孔探測(cè)結(jié)果相互分析、相互驗(yàn)證，從而使最終預(yù)報(bào)結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確，提高掘進(jìn)工效，降低巷道在掘進(jìn)過程中的成本，保障安全生產(chǎn)[2]。當(dāng)前井下勘探常用的方法主要有：（1）礦用震波類技術(shù)方法，主要包括：礦用反射波技術(shù)方法、槽波技術(shù)方法、瑞利波技術(shù)方法、地震波CT成像技術(shù)方法、微地震技術(shù)方法；（2）礦用電磁波技術(shù)方法，包括：礦用并行電法技術(shù)方法、礦用高密度技術(shù)方法、礦用瞬變電磁技術(shù)方法、礦用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)方法、礦用音頻電透視技術(shù)方法等。地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于探測(cè)斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。傳統(tǒng)雷達(dá)方法探測(cè)距離有限，一般探測(cè)幾米到二十幾米左右，很難滿足井下探測(cè)斷層等地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)要求。而低頻地質(zhì)雷達(dá)是通過降低雷達(dá)天線頻率，有效提高了探測(cè)距離，例如，50MHz天線的低頻地質(zhì)雷達(dá)有效探測(cè)距離可以達(dá)到60m左右。本文通過在31116材料巷使用低頻地質(zhì)雷達(dá)對(duì)斷層的實(shí)際探測(cè)，并結(jié)合鉆探與實(shí)際揭露資料綜合分析，得出低頻地質(zhì)雷達(dá)對(duì)斷層精細(xì)探測(cè)的有效性。

1.技術(shù)方法

(1)原理

低頻地質(zhì)雷達(dá)[3]探測(cè)煤礦井下斷層[4]、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，是通過雷達(dá)天線向巷道掘進(jìn)工作面或巷道側(cè)幫發(fā)射脈沖雷達(dá)波，并接收因被測(cè)介質(zhì)電性差異產(chǎn)生的反射回波實(shí)現(xiàn)。由于井下斷層、陷落柱等構(gòu)造會(huì)引起雷達(dá)波產(chǎn)生反射、繞射和散射等異常響應(yīng)，并造成回波頻率、相位和振幅的改變，故采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)井下掘進(jìn)巷道及側(cè)幫構(gòu)造探測(cè)具有良好的地球物理基礎(chǔ)。含煤地層中一般煤的相對(duì)ε（介電常數(shù)，以下同）位于2.3～3.6之間，煤系地層中巖石的相對(duì)ε一般位于4～9之間，空氣的相對(duì)ε大約為1，水的ε為81左右。井下地質(zhì)環(huán)境中，煤層介質(zhì)和非煤層介質(zhì)之間存在ε差異，這是低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)煤層中的非煤層異常體的地球物理基礎(chǔ)，也為解決井下地質(zhì)構(gòu)造類地質(zhì)問題提供了理論依據(jù)。

低頻地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)前需根據(jù)探測(cè)時(shí)天線移動(dòng)速度和系統(tǒng)配置設(shè)定采樣間隔，探測(cè)時(shí)需將地質(zhì)雷達(dá)的天線平面與被測(cè)面緊貼，保證天線耦合質(zhì)量，之后天線勻速、連續(xù)移動(dòng)，保證地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)能夠完成記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)電磁波的時(shí)間與振幅剖面，并形成連續(xù)的地質(zhì)雷達(dá)電磁波剖面。低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)資料解釋時(shí)電磁波速度是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，當(dāng)煤系地層中不同介質(zhì)的電磁波速度已知時(shí)，根據(jù)距離等于速度乘以時(shí)間，反射雙程時(shí)間再換算成單程時(shí)間，即可以得到探測(cè)位置至反射波異常位置的距離。圖1為低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖。

圖1 低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

(2)儀器設(shè)備

低頻地質(zhì)雷達(dá)由主機(jī)和天線兩部分組成，圖2為ZTR-12本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，配備中心頻率為50MHz的雷達(dá)天線。

圖2 為低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

ZTR-12本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下：

主機(jī)：

①本質(zhì)安全型、防爆；

②主機(jī)內(nèi)置采集軟件，開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行；

③Windows界面，中文菜單；

④A/D轉(zhuǎn)換：16位；

⑤掃描速度：50kHz；

⑥系統(tǒng)功耗：15W；

⑦測(cè)量時(shí)窗：6～3500ns；

⑧疊加次數(shù)1～4096次。

50MHz天線：

①中心頻率：50MHz；

②類型：半屏蔽式防爆分體式天線；

③理論最大探深：60m；

④尺寸：225cm×70cm×50cm；

⑤適用范圍：煤礦工作面前方、頂?shù)装寮皞?cè)幫的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)等。

2.應(yīng)用實(shí)例

(1)測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

31116工作面地面位置位于下衛(wèi)底村東北約160m，緊鄰西曹村西南面。地面黃土覆蓋，沖溝發(fā)育。該工作面南鄰31114工作面，西部為三采區(qū)大巷，北為四采區(qū)，東為三采區(qū)采區(qū)邊界。31116材料巷開采太原組9-10-11#煤，煤層最小厚7.8m，最大厚8.5m，平均8.2m，煤層結(jié)構(gòu)1.8(0.15)3.36(0.09)2.8。煤巖層傾角平均為8°。煤種為瘦煤，穩(wěn)定可采。31116工作面煤巖層基本為單斜構(gòu)造區(qū)，產(chǎn)狀為走向北西，傾向北東；斷層、陷落柱主要分布在31116材料巷及切眼附近。

(2)數(shù)據(jù)采集

采用低頻地質(zhì)雷達(dá)對(duì)31116工作面材料巷A20點(diǎn)后210m至390m處側(cè)幫進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，根據(jù)探測(cè)目的和現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，共采集文件2個(gè)。本次探測(cè)低頻地質(zhì)雷達(dá)采用的主要技術(shù)參數(shù)為：①雷達(dá)天線頻率：50MHz；②單道采樣點(diǎn)數(shù)：2048；③掃描頻率：0.025Hz；④相對(duì)ε：7；⑤工作方法：點(diǎn)測(cè)；⑥采樣間隔：180ns。

(3)數(shù)據(jù)處理

低頻地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理工作主要使用GR雷達(dá)處理分析系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)處理的核心工作步驟如下：

①距離歸一化：數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行距離歸一化處理的主要目的是為了消除低頻地質(zhì)雷達(dá)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，因天線移動(dòng)速度、距離差異導(dǎo)致的固定時(shí)間間隔內(nèi)記錄數(shù)據(jù)道數(shù)不一致做的數(shù)據(jù)處理工作。處理時(shí)采用數(shù)據(jù)標(biāo)記功能計(jì)算出雷達(dá)天線實(shí)際移動(dòng)的距離，具體標(biāo)記為1點(diǎn)/m。標(biāo)記之后，處理時(shí)根據(jù)1m距離范圍內(nèi)電磁波道數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一，即選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，然后在每1m測(cè)線范圍內(nèi)插入或刪減一些電磁波數(shù)據(jù)道，達(dá)到每1m范圍內(nèi)電磁波數(shù)量一致的效果。

②波速確定：低頻地質(zhì)雷達(dá)根據(jù)反射電磁波勘探原理，反射電磁波在地質(zhì)雷達(dá)剖面上顯示的雙程道時(shí)，需要用記錄反射電磁波時(shí)間與波速來確定反射界面的位置，因此波速確定的準(zhǔn)確性關(guān)系到探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時(shí)也需要在實(shí)際探測(cè)中不斷的積累與修正，以提高探測(cè)結(jié)果的精度。

③濾波

低頻地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中對(duì)電磁波濾波處理也是一項(xiàng)很重要的工作，因?yàn)樘綔y(cè)環(huán)境及施工耦合差異等因素影響，儀器系統(tǒng)采集到的電磁波有很多干擾波在里面，濾波的主要作用就是壓制干擾電磁波，增強(qiáng)有效電磁波，從而達(dá)到去干擾、提高信號(hào)信噪比的效果。低頻地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的濾波主要分為水文濾波和垂直濾波。

水平濾波是低頻地質(zhì)雷達(dá)記錄的電磁波信號(hào)中水平波比較發(fā)育的。水平波主要產(chǎn)生于儀器自身，主要來自于儀器系統(tǒng)內(nèi)的控制器、數(shù)據(jù)線以及雷達(dá)天線的相互作用且很難消除。低頻地質(zhì)雷達(dá)的水平波具有明顯的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在其發(fā)育的時(shí)間具有相等性，因此水平濾波就以水平波的這一明顯特征為基礎(chǔ)采區(qū)的有效算法進(jìn)行消除。水平濾波是將相鄰的一定數(shù)量電磁波振幅值求平均，然后再與個(gè)別道進(jìn)行對(duì)比，以此來消除或壓制水平波。水平濾波中選取的電磁波道數(shù)越大，效果越差，選取的電磁波道數(shù)越小，效果越好。同時(shí)，在進(jìn)行水平濾波時(shí)，要根據(jù)不同的探測(cè)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)參，經(jīng)過多次驗(yàn)證與修正濾波參數(shù)，才能取得最佳效果。

垂直濾波主要消除探測(cè)環(huán)境中產(chǎn)生的干擾波，常用的濾波方法有帶通、高通、低通濾波以及小波變換等。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)垂直濾波時(shí)，為了區(qū)分不同發(fā)育條件的地質(zhì)異常體，需選取不同的頻帶。垂直濾波是一種數(shù)學(xué)變換方法，會(huì)造成一定程度的信號(hào)失真，濾波時(shí)選取的頻帶越窄，失真程度越大，應(yīng)用中要認(rèn)真選取方法和參數(shù)，根據(jù)探掘、探采結(jié)果不斷調(diào)整與修正。

(4)資料解釋

對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)情況及處理解釋剖面可得出如下結(jié)果：

①在探測(cè)點(diǎn)10～38m即A20點(diǎn)后220～248m處有明顯雷達(dá)波反射能量較強(qiáng)且同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)斷區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，探測(cè)位置位于全煤。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、雷達(dá)解釋剖面和礦方地質(zhì)資料綜合分析，推測(cè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)異常區(qū)域?yàn)槊簬r層變化或破碎影響。

②在探測(cè)點(diǎn)95～132m即A20點(diǎn)后305～342m處有明顯雷達(dá)波反射能量較強(qiáng)且同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)斷區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，探測(cè)位置位于全煤。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、雷達(dá)解釋剖面和礦方地質(zhì)資料綜合分析，推測(cè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)異常區(qū)域?yàn)槊簬r層變化或破碎影響。

③在探測(cè)點(diǎn)0～130m即A20點(diǎn)后210～340m處，深度30m有明顯雷達(dá)波反射能量較強(qiáng)且同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)斷區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，探測(cè)位置位于全煤。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、雷達(dá)解釋剖面和礦方地質(zhì)資料綜合分析，推測(cè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)異常區(qū)域?yàn)槊簬r層變化或破碎影響。

④在探測(cè)點(diǎn)130～180m即A20點(diǎn)后340～390m處，深度35m有明顯雷達(dá)波反射能量較強(qiáng)且同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)斷區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，探測(cè)位置位于全煤。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、雷達(dá)解釋剖面和礦方地質(zhì)資料綜合分析，推測(cè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)異常區(qū)域?yàn)槊簬r層變化或破碎影響。

(5)驗(yàn)證結(jié)果

通過對(duì)探測(cè)位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，合計(jì)施工鉆孔30個(gè)，可得驗(yàn)證結(jié)果如下：

①工作面內(nèi)距探測(cè)位置約35m揭露異常分析為一落差約5m斷層；

②工作面內(nèi)距探測(cè)位置16～54m揭露異常分析為陷落柱；

③工作面A20點(diǎn)后210～300m處距探測(cè)位置32～45m揭露異常分析為一落差約5m斷層；工作面A20點(diǎn)后300～340m處距探測(cè)位置16～45m揭露異常分析為一陷落柱；

④工作面內(nèi)距探測(cè)位置15～58m揭露異常分析為一陷落柱。

經(jīng)過探鉆對(duì)比分析，低頻地質(zhì)雷達(dá)可對(duì)陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行有效探測(cè)，探測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果基本一致。

3.結(jié)論

通過分析低頻地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的介紹，對(duì)煤礦陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的應(yīng)用實(shí)例，說明了低頻地質(zhì)雷達(dá)對(duì)陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)的有效性，采用理論分析與實(shí)際應(yīng)用綜合對(duì)比的方法，得出如下結(jié)論：

①陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造作為影響煤礦安全生產(chǎn)的隱患，需要對(duì)其進(jìn)行有效探測(cè)。

②低頻地質(zhì)雷達(dá)作為一種有效探測(cè)陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的物探方法，具有高效率、高精度、高便攜性的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

③井下低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)雖然提高了探測(cè)深度，達(dá)到60m左右，但是仍然需繼續(xù)提高探測(cè)深度，以更好地應(yīng)用于煤礦地質(zhì)構(gòu)造類探測(cè)。