KJH-D 型防爆探地雷达在新景矿掘进巷道的应用

刘建伟

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

探地雷达探测技术具有快捷灵敏、高度适应性等特点[1-2]。目前该技术主要用于地质工程和岩土工程勘察等方面[3-4]。新景矿属煤与瓦斯突出矿井，瓦斯的赋存规律及突出机理与矿井的构造条件、煤体结构、顶底板岩性条件和瓦斯压力等方面密切相关。

1 探地雷达探测原理

探地雷达通过发射天线以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面（如遇到裂隙、空洞等）产生反射波。该反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，同时接收到沿岩层表层传播的直达波，两种波被接收机在终端显示。基于数据处理和数据分析，依据雷达监测的参数可预测掘进巷道前方的地质构造[5]。

2 新景矿雷达波速实测

为取得新景矿的雷达波速，在3215 辅助进风巷、3215 回风巷间、3215 回风巷已知陷落柱处进行了五次雷达波速测试。雷达波速V=巷间距H×2/双程旅行时T。实测可得：

（1）3215 辅助进风巷与3215 回风巷间，响应双程旅行时为380 ns 处，巷间距为35 m，平均波速V=0.184 m/ns。

（2）3215 回风巷S991 测点探测侧帮内27 m 已知陷落柱。探测显示在300 ns 处出现电磁波急剧衰减，属陷落柱的雷达响应。平均波速V=0.18 m/ns。

3 井下现场实测

（1）掘进巷道迎头超前探测

在掘进巷道迎头超前探测时，要将发射和接收天线竖起来，平行贴紧掘进面，方向朝着掘进前方进行探测采集数据，如图1。

图1 巷道迎头超前探测异常体示意图

（2） 掘进巷道侧帮探测

掘进巷道侧帮探测主要是沿巷道的走向做长距离的连续探测，形成几十米至数百米长的连续探测剖面，同一测线的探测剖面可以进行相互比对分析，将剖面上每个测点获得的雷达回波异常点串联起来，就构成反射界面的趋势图线，根据趋势图谱可以分析异常体的形状和性质，如图2。

图2 巷道侧帮超前探测异常体示意图

（3）掘进巷道顶底板探测

将雷达天线放置于煤层底板或顶板，从而实现顶板或底板探测。结果处理和地质分析与侧帮探测类似。分析煤岩层的位置、形态和展布特点，从而可以定性了解上下相邻煤岩层的厚度、分布等地质情况，如图3。

图3 巷道顶底板超前探测异常体示意图

4 探地雷达数据处理

读取导出的雷达数据，需先进行预处理，主要有时窗切除、废道剔除等。最后对雷达信号增益处理，放大信号，便于技术人员识别和解释。

（1）时窗切除

本次采用1400 ns 以留有多余的时窗。因此，在处理时可将无用的后期数据进行切除，如图4，将部分后期数据切除，突出前期有效数据，利于成果解释。

图4 时窗切除图

（2）废道剔除

雷达在采集探测过程中，受煤岩体的平整度以及钻杆、支护等干扰，个别道信号较差，不能用于解释，同时还会在处理过程中压制正常道，造成有效信号的失真。对这些信号进行废道处理最为直接有效，如图5。

图5 废道剔除图

5 现场探测与地质资料对比分析

5.1 现场探测

（1）3215 辅助进风巷S976 南52.5 m 迎头处超前探测

本次探测有效探测距离60 m 内，成像表现为总体上无明显强反射和衰减，不存在较大构造。浅部区域存在局部弱反射，推测可能是因迎头现场钻孔造穴施工引起的煤体破碎而产生的雷达响应，在后期掘进过程中需加强关注。经验证，巷道钻探与掘进过程中均未见明显地质构造，煤层发育连续稳定。

（2）3215 回风巷S1001 南45.4 m 迎头超前探测

本次探测位置为3#煤3215 回风巷S1001 南45.4 m 处，探测方向为掘进工作面正前方，有效探测距离约50 m。电磁波整体反射较稳定，测线右侧2 m 附近雷达反射波异常，反射波波形呈条带状，并且从顶端一直延续到末端，为雷达天线与掌子面未贴好造成的干扰。探测前方400 ns（约36 m）附近有较强电磁波反射，可能存在断层或者煤层赋存形态变化引起反射波增强。经验证，钻探、掘进过程中未见明显地质异常，前期施工个别造穴孔存在喷孔现象，探测35 m 附近处在掘进过程中未见明显地质异常，雷达探测结果与实际揭露情况存在偏差。

（3）3215 回风巷与辅助进风巷联络巷（S976-S1001）底板探测

本次探测位置为3#煤3215 回风巷与辅助进风巷联络巷（S976-S1001），测线由3215 辅助进风巷测点S976 起至10 m 长结束，探测方向为巷道底板。

本次底板探测，采集参数除波速外其他参数与迎头超前探测参数基本一致，探测深度接近40 m。雷达反射波呈现高频同相轴现象。330 ns（约20 m）处有强雷达反射波出现，应为下覆煤层，这与井田地层分布的下覆6#号煤层情况基本一致。

（4）3215 回风巷S991 处侧帮探测

本次探测位置为3#煤3215 回风巷S991 处，探测方向为掘进巷道侧帮向3215 辅助进风巷方向。有效探测距离60 m 范围内，雷达反射特征明显，在约27 m、36 m、55 m 附近出现强反射。27 m 处浅反射后雷达波形能量减弱，可能为发育陷落柱边界。36 m 处为多次强反射，应为空巷，即3215 辅助进风巷。55 m 处反射后雷达波形能量减弱，可能为陷落柱周边煤层破碎带。

（5）3215 回风巷S997 南50 m 处侧帮探测

探测位置为3#煤3215 回风巷S997 南61 m 处，探测方向为掘进巷道侧帮向3215 辅助进风巷方向。有效探测距离50 m 范围内，雷达反射波较稳定，在14 m 附近出现强反射，后续雷达波形能量减弱，可能为发育陷落柱边界。此外，在29 m 附近也出现类似雷达电磁波回波特征，可能为陷落柱附件煤层破碎带。

（6）3215 辅助进风巷S984 南106 m 迎头处超前探测

本次探测位置为3#煤3215 辅助进风巷S984 南106 m 处，探测方向为掘进工作面正前方，有效探测距离约50 m。其雷达波形总体上反射连续完整，反射回波无明显强反射，也无明显衰减，推断不存在较大构造。

5.2 探测结果分析

在对巷道进行探测和数据处理后，与探测结果对比分析，具体雷达探测结果与验证统计见表1。

表1 探地雷达试验情况统计表

6 结论

（1）采用KJH-D 探地雷达在新景公司掘进巷道进行探测，准确率达83%，探测距离可达60 m，适用于掘进巷道的围岩的探测。

（2）雷达井下探测适用于掘进巷道的迎头、侧帮、底板的探测。探测时要保证煤（岩）壁的平整度，保证天线与煤（岩）壁耦合效果，消除或减弱金属、带电设备等干扰源。迎头及其他较短的测线，可增加采集次数，以提高数据量利于后期处理分析。

（3）总结了雷达波形反射特征。完整煤（岩）体：反射波连续均一，呈规律缓慢衰减。断层：强振幅反射，同相轴连续，能量衰减极快。陷落柱：强振幅反射，同相轴连续，能量衰减较快。空巷或采空区：强振幅两次或多次反射，同相轴连续，能量衰减较快。天线与煤（岩）壁不耦合：反射连续均一，能量不衰减。金属干扰：杂乱反射，有规律缓慢衰减。