基于地质雷达探测的煤—岩分界面实验分析

徐旭东，李 博，南莹浩

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

基于地质雷达探测的煤—岩分界面实验分析

徐旭东，李 博，南莹浩

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

煤矿巷道掘进过程中，如果煤层相对比较厚无法进行全断面掘进，会在巷道的顶板或底板留有一定厚度的煤层，等待工作面回采过程中再次全部回采。因此，需要事先了解煤层顶—底板的煤层的变换，即煤岩界面的实时快速的识别。本测试实验地点在单候煤矿巷道下进行，利用煤和岩石的物理电性差异，采用高频电磁波反射方法(即探地雷达方法)识别煤—岩界面。最终得出单侯煤矿5104工作面43.8 m和50.2 m测区煤—岩分界面变化图。

煤矿开采;探地雷达;单侯煤矿;煤岩界面

1 测试区概况

5104工作面底板岩石为奥陶纪白云质石灰岩，工作面煤层厚度为3.5～3.8m，并且煤层底板存在一定厚度的夹矸。煤矿巷道掘进过程中，如果煤层相对比较厚无法进行全断面掘进，通常会在巷道的顶板或底板留有一定厚度的煤层，等待工作面回采过程中再全部回采［1］;为了确定整条巷道不同物理点煤层厚度(尤其是巷道掘进过程中留下的煤层厚度)，确定具体的储量，需要对整条巷道进行地球物理探测来确定煤层厚度，使用的设备为国外的“地质雷达探测设备”［3］。此次探测研究以底板煤层作为电磁波传播介质，以煤层中夹矸作为反射界面，使用发射和接收设备沿巷道底板依次测量A～B测区43.8 m、C～D测区50.2 m。测点和测区的布置与巷道的位置关系示意图如下:

图1 A～B和C～D测区布置与巷道位置关系平面示意图

图2 测点布置与巷道位置关系平面示意图

图3 测点布置与巷道位置关系垂直剖面示意图

2 测试方法原理

2.1 煤－岩物理电性性质

各种介质的电性存在差异，对于煤和岩石的电磁传播性质表现为表1。

表1 煤－岩物理电性性质

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为:

式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。

2.2 测试方法原理

探地雷达作为无损检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点［5］。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(如200 Mhz)，当其遇到界面时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的［6］(见图4)。

图4 探地雷达工作原理示意图

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的［7］，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT，即可据下式算出地下反射层的埋藏深度［4］H:

式中，H即为目标层厚度;V是电磁波在地下介质中的传播速度［4］，其大小由下式表示:

式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s;ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率［8］。导电率越高，穿透深度越小;中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。

2.3 地质雷达仪器参数设置及数据修正

地质雷达参数的设置对现场探测效果至关重要［6］。通过对单侯煤矿巷道井下掘进工作面地质探测实验，结合实际施工条件，一般选用选用精度较高、屏蔽效率较为理想的的频率为100 MHz的天线［10］，天线间距1 m，探测有效距离为25～30 m，为保证目标地质体所在深度的准确性及地质信息的完整性，经试验时窗选择800 ns［11］。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形发生变化，电磁波干扰收到随机干扰，必须对信号进行处理，改善资料的信噪比［12］，并使反射信号归位。数据修正处理方法如下:

(1)应用带通滤波和背景去除技术，消除随机噪声压制干扰，提高有效反射波信噪比;

(2)采用自动时变增益和均方根能量增益技术补偿介质吸收，以提高深层反射信号能量［13］;

(3)通过剖面上绕射波的时距曲线拟合，反演出该地区的电磁波传播速度大约为0.15 m/ns，并以此速度进行反射波时－深转换，得到深度雷达反射剖面［14］。

3 测试实验资料分析解释

根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的对比追踪，确定反射波组的地质含义，构筑地质地球物理解释剖面。并依据剖面的解释，获得2条测线的煤－岩(矸石)的分界面变化图(见图5和图6)。

图5 43.8 m测区煤—岩分界面变化图

由43.8 m、50.2 m测区煤－岩分界面变化图可知，沿测线走向方向，5104工作面底板下方0.8～1 m、1～1.2 m处存在一个很强的反射同相轴，在未偏移的剖面上存在扰射波，说明该界面起伏，但沿测线走向上起伏范围不大。由剖面图可知，剖面上可见有一组贯穿剖面的反射同相轴，在全区基本相似，但每个反射剖面上的各界面反射波形也有明显的差异。

4 结论

(1)由测试实验资料分析解释研究结果可知:在5104工作面下方0.8～1.2 m的范围内存在一个很强的反射同相轴，该反射同相轴代表煤－岩分界面的位置，说明测试区煤－岩分界面存在于5104工作面下方0.8～1.2 m范围内。

(2)由两条测线反馈的分界面变化图可知，5104工作面底板沿测线走向方向煤－岩分界面变化趋势较稳定，在两条测线上的变化范围分别在0.8～1.0 m、1.0～1.2 m之间。

(3)由于煤—岩分界面距离5104工作面底板的最小距离是0.8 m，因此回采5104工作面下部煤炭时应控制回采厚度小于0.8 m。

图6 50.2 m测区煤—岩分界面变化图

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Experimental Analysis of Coal－rock Interface Based on Geological Radar Detection

XU Xu－dong，LI Bo，NAN Ying－hao

(School of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

In the process of coal mine roadway excavation，if the coal seam is relatively thick，the whole face excavation can not be carried out，it will leave a certain thickness of coal seam in the roof or floor of the roadway，and wait for the mining process in the working face.Therefore，it is necessary to understand the coal seam transformation of the coal seam roof and floor，that is the fast real－time recognition of coal rock interface.This test is carried out in the roadway of Shanhou coal mine，with the use of physical electrical differences of coal and rock，and high－frequency electromagnetic wave reflection method(that is the method of ground penetrating radar)to identify coal rock interface.Finally the changing map of coal rock interface is concluded at－43.8 m and 50.2 m measured area of 5104 working face in Shanhou coal mine.

Coal mining;Ground penetrating radar(GPR);Shanhou coal mine;Coal rock interfa

P627

A

1672－7169(2016)06－0078－04

2016－11－01

徐旭东(1993－)，男，江苏南京人，大学毕业，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向:安全工程。E－mail:1256057641 @qq.com