基于GPR技术的巷道迎头超前探测

赵智嵘

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院 北京 100083)

引言

中国北方地区煤矿开采地质条件大多较为复杂，在巷道掘进中时常会遇到断层、陷落柱等地质灾害体[1]。这些灾害体发育规模较小,但仍有可能成为导水通道或破坏顶底板稳定性，影响矿井生产安全。因此有必要查明迎头前方灾害体的种类及空间分布情况，从而能够提前采取技术措施，有效预防事故发生。

目前，用于巷道迎头超前探测的常规矿井物探方法，如槽波地震勘探法、瞬变电磁法、无线电波透法及直流电法等，虽能对迎头前方灾害体进行有效判定，但上述方法受井下条件限制较多，且对小构造的探测精度不易达到实际生产要求[2-4]。而探地雷达方法以其高效率、高精度、高便携性的探测特点，近年来被广泛应用于井下构造探测[5]。

本次实验所用50MHz低频探地雷达天线及配套装备为中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采重点实验室自主研发，该设备在保障探测深度的基础上，也提升了探测精度。

一、GPR技术

(一)GPR基本原理。探地雷达方法通过雷达发射天线向地下发射高频脉冲电磁波(主频为数十MHz至数千MHz)，并接收在地下不同介质交界面处形成的反射回波，从而达到对迎头介质勘探的目的。被测介质的相对介电常数εr差异越大，根据反射系数原理，在界面处反射的电磁波能量越大。因此，当雷达信号遇到煤层与其内部构造灾害体的交界面时，雷达信号会发生强反射响应。通过将雷达天线辐射面紧贴巷道迎头煤壁开展连续数据采集，对反射回波的特征信息进行精确记录，并进行数据处理，则可以构建煤层与构造灾害体的剖面扫描图像，其探测示意图如图1所示。

图1 雷达超前探测示意图

(二)仪器选择。本次探测使用了中国矿业大学(北京)自主研发的ZTR-12矿用本质安全型探地雷达系统。该系统由一体化主机、高频信号连接线、50MHz主频天线和辅助设备等几部分共同组成。

ZTR-12型探地雷达主机采用显示系统与控制单元的一体化的密封防水设计，天线采用屏蔽式密封设计，全系统均达到本质安全型认证，可在井下方便、安全的开展探测工作。

二、探测实例

(一)测区基本概况及观测系统布设。本次探测区为曙光煤矿，该矿地处山西省介休市，位于新峪煤业宜兴矿区东南部，宜兴煤业宜兴矿区东北部。当前该矿主采煤层为位于二叠系下统山西组中部的2#煤层，厚度0-3.25m，平均1.3m，其煤层地质条件复杂，小断层分布较为密集。工作面内煤的类型为无烟煤，根据以往探测经验并参考《矿井地球物理手册》，综合确定本次探测中煤层相对介电常数εr设定为3.6。

由于受到巷道高度限制，雷达测线布置在掘进迎头距底板上方1.5m处，且在探测过程中应确保天线紧贴巷道掘进迎头，并尽量确保发射及接收天线保持水平匀速运动，以确保井下雷达数据的采集质量及解释效果。

(二)GPR数据处理流程。井下雷达数据采集过程中，易受到巷道周边电缆、锚杆等铁磁性物质的干扰，数据质量较差。因此，为突出有效信号，提高对迎头前方灾害体的解释精度，需对原始数据进行相应信号处理。经多次井下试验探测并对比分析，最终采用如图2所示雷达数据处理流程。

图2 雷达数据处理流程

(三)实测结果分析。断层破碎带探测结果：在一次对某材料巷掘进迎头超前探测中，50MHz雷达数据处理结果如图3所示，可看出迎头前方50-60m处存在一处条带状强反射区域，黑线处反射波同相轴错段，而0-50m处反射层面连续。经综合分析，最终推测在掘进迎头前方50米处出现断层破碎带，断层与巷道的夹角约为20°。

图3 雷达剖面解释成果及地质素面图

在后续巷道推进过程中，对揭露情况进行地质素描，并将其与雷达解释成果对比后发现：自探测点前51-59米处揭露断层破碎带，破碎带与巷道成20°夹角。由此可验证，本次探地雷达超前探测基本达到了对断层破碎带位置及发育形态的有效探测。

三、结论

(1)工程实践表明，50MHz防爆雷达天线能够达到对掘进面前方60m范围内的地质灾害体进行有效识别。

(2)探地雷达高精度、高便携以及探测方便快捷的优点，在矿井迎头超前探测方面，具有广阔的发展前景。但由于煤层内部介质复杂多变，巷道周边铁磁性干扰严重。在反演解释过程中还应充分结合实际情况进行综合分析。