地质雷达技术及其在煤矿中的应用

总第459期

2007年7月第7期地质雷达技术及其在煤矿中的应用

李振新

(煤炭科学研究总院抚顺分院)

摘 要:重点介绍了地质雷达的工作原理和仪器系统结构,阐述了地质雷达的测量方法和资料处理解释方式,并概括总结了地质雷达在煤矿生产中的应用。

关键词:地质雷达;煤矿;探测

中图分类号:TN959 3 文献标识码:B 文章编号:1009 5683(2007)07 0055 03

在煤矿生产和隧道开挖的工程中,经常会遇到复杂的地质异常情况,若事先未能探查清楚往往会

造成塌方、突水和瓦斯突出等事故,因此迫切需要一种体积小、重量轻、操作简单快速且适宜煤矿井下有限工作条件的设备。

地质雷达(又称探地雷达)是近些年迅速发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz~1GHz)电磁技术,它通过天线向地下发射高频电磁脉冲波,利用地下不同介质电性参数的差异,根据回波信号的振幅、波形和频率等运动学特征来分析和推断地下介质结构。随着电子技术的迅速发展,现在的地质雷达设备已由早期的庞大笨重结构改进为适合现场使用的工具,具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势,越来越受到煤矿的欢迎,可用于煤矿的含水层、陷落柱、裂隙带、风化带、采空区、塌方、断层、煤层瓦斯突出等灾害隐患的探测。1 地质雷达的工作原理

地质雷达是利用高频电磁波的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术。地质雷达探测时,通过发射天线向地下(或其它方向)定向发射脉冲电磁波,当脉冲电磁波传播过程中遇到有电性差异的界面或目标体(介电常数和电导率不同),就会发生反射和散射现象,根据接收天线收到的回波信号的振幅、波形和频率等运动学特征来分析和推断介质结构和物性特征。图1为地质雷达探测时

电磁波传播示图。

图1 地质雷达工作原理

当电磁波在地下传播的速度v (m ns)已知时,即可根据公式(1)求出地下目标或地下界面的深度H (m),并且反射波带有地下目标和地下媒质的性质信息,通过对反射波进行分析,可以确定地下目标

李振新(1971-),男,辽宁抚顺人,工程师,113001辽宁省抚顺市。

一定的影响,表现为瓦斯爆炸上下限整体向下漂移。如油气成分相对含量为70%时,瓦斯爆炸下限向下漂移了1.9个百分点,增加了瓦斯爆炸危险性。

(2)焦坪矿区瓦斯成份以C H 4为主,占44.75%~79.24%,其对应的瓦斯爆炸极限分别是3.41%~14.06%和3.18%~14.23%。对现场工作人员来说,加强监测监控是当务之急。

参 考 文 献:

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的性质。

t =4H 2

+x 2

v (1)式中,x 为发射天线和接收天线之间的距离;v 为波速。

雷达波在界面上的反射和透射遵循Snell 定理。实际观测时由于发射天线与接收天线的距离很近( 2m),所以其电场方向通常垂直于入射平面,并近似看作法向入射,故反射系数 为: =Z 2cos 1-Z 1cos 2

Z 2cos 1+Z 1cos 2

Z = ! K

(2)

式中, 1、 2分别为入射角和折射角;Z 1、Z 2为上、下层介质的波阻抗; 为角频率;!为导磁率;K 为波数。对于雷达波常用频率范围(25~900MHz),一般认为电导率∀ #,因而反射系数 可简写成: =

#1r -#2r

#1r +

#2r

(3)

式中,#1r 、#2r 分别为上、

下层介质的相对介电常数。可见,反射界面两侧物性参数差别越大,反射波的能量也就越强。因此只要探测的目标体与周围介

质之间存在介电常数的差异,就可以形成强的电磁

波反射界面,如含水层与围岩、空洞、溶洞、陷落柱、断层面及煤层顶底板等都是良好的反射界面,继而可探测地下目标体的构造。2 地质雷达仪器结构

地质雷达仪器硬件系统总体结构如图2所示。

图2 地质雷达系统结构图

(1)发射子系统。在数据采集和控制子系统的触发下,利用雪崩开关方式进行快速加压,产生高压电磁窄脉冲(脉冲宽度可小于1ns),并以此信号作为雷达发射波,通过发射天线向地下发射电磁波。

(2)接收子系统。用接收天线接收超高频雷达反射波信号,并用高频放大器进行放大,然后在数据采集和控制子系统的触发下,将放大后的信号通过采样进行保持,从而有效地将高频信号变成低频信号,以便数据采集和控制子系统时能进行精确采样。

(3)微机子系统。对地质雷达各子系统的工作流程进行管理、存储,显示由数据采集和控制子系统采集得到的雷达数字信号,并对这些信号进行多种方法的信号处理。

(4)数据采集和控制子系统。在微机子系统的

控制下,为发射子系统和接收子系统提供经过精确定时的启动触发脉冲,同时对来自接收子系统采样保持后的雷达反射波信号进行程控增益放大和A D 转换,并将得到的数字化雷达反射波信号通过微机系统总线存放到内存中,供微机显示、存储、分析和处理。

3 探测方法和资料解释3.1 测量方式

地质雷达的探测施工比较灵活,在实际探测过程中,可根据当地的地质条件、岩土工程问题,采用合适的观测方式。目前对于双天线的地质雷达,常用的有两种测量方式:剖面法和宽角法。

剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间隔距离沿测线同步移动的一种测量方式,发射天线和接收天线同时移动一次便可获得一个记录,当发射天线与接收天线同步沿测线移动时,就可以得到由一个个记录组成的地质雷达时间剖面图像,能准确地反映正对测线下方各个反射面的起伏变化。当一个天线固定在地面某一点上不动时,而另一个天线沿测线移动,记录地下各个不同层面反射波的双程走时,这种测量方法称为宽角法。其图像显示出同相轴倾斜的形态特征,反映了雷达波沿深度方向的速度变化特征,速度大者较缓,速度小者较陡。因此这种方法可以探测不同介质的电磁波传播速度,从而可以推算或模拟其它物理参数。

地质雷达还可以针对探查目标向任意方向探测,对同一目标也可以改变方位角或仰俯角探测。但在架设天线时要将两天线辐射的轴向保持平行,

且两天线放置在同一平面上,以便消除干扰。应用以上方法可对巷道掘进头前方、两帮、顶底板方向及煤层工作面内探测,首先取得满意可靠的波形资料,然后进行室内资料的处理和解释。3.2 雷达资料的处理与解释

在地质雷达测量中,为了保持更多的反射波特征,通常利用宽频带进行记录,于是在记录各种有效波的同时,也记录了各种干扰波,因此需要对采集上来的雷达数据进行处理,包括各种滤波、偏移、反褶积以及雷达图像增强处理等,目的是为了是压制随机和规则干扰,以最大可能的分辨率在雷达图像剖面上显示反射波,提取反射波的各种有用参数来帮助解释地质雷达图像反映的地下介质的电性分布,

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雷达资料的地质解释才是测量的最终目的,通常是在数据处理后得到的探测剖面中,根据反射波组的波形与强度特征,通过同相轴的追踪,确定反射波组的地质含义,依据解释剖面获得整个测区的最终成果图,从而为工程设计提供依据。4 地质雷达在煤矿生产中的应用

4.1 煤层厚度的探测

在煤矿开采过程中,由于地下地质条件比较复杂,有时会遇到可采煤层厚度与精查地质资料不符的情况。由于煤矿井下的介质一般为煤、页岩、砂岩和石灰岩等,均具有较低的电导率,并且在多数情况下,煤的岩性较软弱,同较硬的顶板或底板可形成明显的物性差异界面,当电磁波传播至此界面时,将会出现反射信号由强到弱或由弱到强的突变特征,因此利用地质雷达根据探测到的煤层顶底板界面位置可以得到煤层厚度,并且探测深度越小精度越高。张德、刘传孝等利用地质雷达对山东滕州市留庄煤矿14#

层煤进行探测,取得到了很好效果。4.2 地质小构造与异常体的探测

煤矿突水与瓦斯是威胁矿山建设与生产过程安全的主要灾害,而陷落柱,冲刷带以及裂隙等地质小构造的存在是造成上述矿井灾害的主要原因之一。如果在开采之前不探查清楚,这些异常体的位置,将会为威胁人们的生命安全,同时也给煤矿的生产造成很大经济损失。由于这些地质异常体往往与周围的煤层介质差异很大,能在雷达的图像剖面上表现出较强的反射现象,因此利用地质雷达对存在于煤层中的这些小构造地质进行探测时,往往会有较好的效果。图3是对某煤矿井下掌子面内存在的一个含水陷落柱探测后得到的雷达图像,从雷达的剖面图像中可以看出,陷落柱含水表现特征明显,反射效果强(图中用圆圈出的位置),据此可以判断出这些异常体的位置,

为煤矿的安全生产提供帮助。

图3 掌子面陷落柱地质雷达探测剖面

4.3 巷道围岩松动圈的探测

巷道围岩松动圈本质上是围岩破碎带同完整的弹塑性区的分界线,因此,围岩两侧的物性差异很大,同时,围岩松动圈的范围一般不超过3~5m,需要有较高精度的仪器才可以探测到。杨永杰,刘传孝等利用地质雷达对新汶矿务局华丰煤矿的典型巷道进行了探测,为巷道的支护设计与维护提供了合理的参数,取得较好的效果。4.4 其它方面的应用

地质雷达还可用于探测煤柱宽度及其变化情况,充填体及注桨质量的检测,老空区位置及其边界的确定,小断层和裂隙的探测以及巷道掘进超前探测预报等,能为预防和减少煤矿事故的发生提供有益的帮助。5 结束语

地质雷达是一种先进的地球物理探测手段,其精度高,体积小,图像清晰直观,而且具有无损伤、可重复探测的特点,不会破坏煤矿井下周围的介质结构,与钻探或其它大型物探设备相比更加轻巧灵活简便快捷,非常适合于煤矿井下巷道的工作环境,虽然地质雷达在煤矿井下的应用时间还很短,但在上述的应用范围内已取得较好的应用效果,相信随着地质雷达技术的进一步发展,应用范围会进一步扩大,为煤矿的安全生产和合理开采带来更多的经济效益。

参 考 文 献:

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