宋 勁,王 磊

(1.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南長沙 410083;2.中煤科工集團重慶研究院,重慶 400039;3.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院,北京 100083)

探地雷達探測采煤工作面隱伏鉆桿研究

宋 勁1,2,王 磊3

(1.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南長沙 410083;2.中煤科工集團重慶研究院,重慶 400039;3.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院,北京 100083)

為了提前探測定位采煤工作面中的隱伏鉆桿,探討了利用防爆探地雷達技術(shù)進行采煤工作面隱伏鉆桿超前探測的技術(shù)方法,結(jié)合雷達探測理論,計算出鉆桿與煤層分界面的雷達波反射系數(shù)介于0.25～0.35,論證了雷達探測一般隱伏鉆桿的可行性。通過煤層中雷達探測鉆桿正演模型分析,獲得了鉆桿的雷達波波形響應(yīng)特征。陽泉礦區(qū)煤層中隱伏鉆桿的探測實踐,確定了隱伏鉆桿所在位置,探測結(jié)果得到了回采驗證,經(jīng)過統(tǒng)計探測鉆桿準確率為81.2%,取得了很好的地質(zhì)效果。研究表明,采用防爆探地雷達能較好的對采煤工作面中隱伏鉆桿進行超前探測,解決了采煤工作面中隱伏鉆桿的超前預(yù)測定位難題。

隱伏鉆桿;采煤工作面;超前探測;防爆探地雷達;高頻脈沖電磁波

我國許多地區(qū)煤礦煤層賦存條件較差,煤炭行業(yè)是高危行業(yè),瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、煤塵、沖擊地壓等災(zāi)害困擾著煤礦安全生產(chǎn)[1]。受煤巖應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量及壓力等相關(guān)因素的影響,在煤礦開采中易發(fā)生煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故[2],嚴重威脅著煤礦安全生產(chǎn)和礦工的生命安全。為了保障煤礦安全生產(chǎn),需要對高瓦斯危險區(qū)域打孔進行瓦斯抽放[3],達到安全標準方可生產(chǎn)作業(yè)。在打鉆抽放過程中由于煤層地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工、機械故障、操作失誤等多方面的原因,打鉆容易出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、夾鉆、抱死等情況,造成鉆桿斷裂而遺留在回采工作面內(nèi)。采煤機在回采作業(yè)中切割到前期遺留的隱伏鉆桿后,會產(chǎn)生火花,容易引發(fā)瓦斯爆炸等安全事故。同時,鉆桿容易損壞采煤機切割頭。因此需要提前對回采工作面內(nèi)隱伏鉆桿進行超前探測,以確定隱伏鉆桿的具體范圍和位置,從而提前采取措施,保障安全生產(chǎn)。如何從幾米厚、上百米寬的采煤工作面中探測定位直徑為幾厘米大小的鉆桿就成為煤礦安全開采急需解決的技術(shù)難題。

防爆探地雷達是一種高精度探測手段,其分辨率大小可達分米至厘米級[4],是目前礦井物探中探測精度最高的,具有其他礦井物探手段不具備的高精度特點,同時具有高效率、無損探測的優(yōu)點,是解決隱伏鉆桿探測的煤礦井下高精度探測技術(shù)。

1 雷達探測隱伏鉆桿的可行性分析

1.1 基本原理

探地雷達方法(ground penetrating radar)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的光譜(1 MHz～1 GHz)電磁技術(shù)[5]。根據(jù)接收機接收到的電磁波反射信號,可以深入分析電磁波在介質(zhì)中的傳播時間、能量大小和形態(tài)變化,從而間接推測出介質(zhì)的物理和幾何特征,即探測到目標體的空間位置和物理特性。

1.2 隱伏鉆桿雷達反射系數(shù)分析

雷達波是一種超高頻短脈沖電磁波,具有波的一般特性,在不同介質(zhì)的傳播過程中,遇到速度分界面將發(fā)生波的透射和反射現(xiàn)象。探地雷達波反射信號的大小決定了探測目標體在雷達結(jié)果顯示中的清晰程度。反射回波信號越強烈,探測的目標體越清晰。而介質(zhì)分界面兩側(cè),電性特征差異越大,電磁波的傳播速度差異越大,從而雷達回波信號能量也就越強,兩介質(zhì)間的分界面越易于分辨[6]。

雷達波反射信號的強弱由反射系數(shù)r決定,r與速度分界面兩側(cè)的介質(zhì)電性特征相關(guān),如圖1所示。

雷達的發(fā)射和接收天線之間的距離與將要探測的目標深度相比數(shù)值較小,近似認為θ1≈θ′1≈0。根據(jù)反射系數(shù)公式[7]有

圖1 電磁波在介質(zhì)分界面反射示意Fig.1 The reflect map of GRP wave

式中,z1為介質(zhì)1的波阻抗;z2為介質(zhì)2的波阻抗。其中,ε1′為介質(zhì)1的相對介電常數(shù);ε2′為介質(zhì)2的相對介電常數(shù),對于常見的介質(zhì)有1≤ε′≤81。根據(jù)式(3),反射系數(shù)r由分界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定,其大小絕對值小于1。當相鄰介質(zhì)的相對介電常數(shù)相等時,反射系數(shù)r=0,電磁波沒有反射回波。當兩側(cè)相對介電常數(shù)差異越大,則反射系數(shù)r的絕對值越大,接收的雷達回波信號也越強。根據(jù)實際探測經(jīng)驗總結(jié),當反射系數(shù)r ＞0.1時,比較適宜于探地雷達探測和識別目標體[8]。

隱伏鉆桿探測中涉及到的主要介質(zhì)為金屬鉆桿和煤層,煤層的相對介電常數(shù)ε1′為2.3～3.6[9]。鉆桿為金屬體,其相對介電常數(shù)的取值較復(fù)雜,一般認為在入射電磁波頻率較低的情況下取ω＜1011Hz,就認為是“低頻”的情況,比如微波、無線電波等。此時,金屬體的相對介電常數(shù)是一個復(fù)數(shù),其數(shù)值將很大,表明金屬將吸收電磁波,同時產(chǎn)生焦耳熱。同樣條件下,絕緣體的相對介電常數(shù)是一個實數(shù),絕緣體與金屬的相對介電常數(shù)差異很大[10]?；诒Ｊ毓浪?假設(shè)金屬鉆桿的相對介電常數(shù)ε2′為10,則根據(jù)式(3)可知電磁波在煤層和金屬鉆桿之間的反射系數(shù)|r|介于0.25～0.35,大于0.1的理想探測條件。所以從反射系數(shù)的角度來講,采用防爆探地雷達探測采煤工作面中的隱伏鉆桿具備非常理想的探測條件。

1.3 隱伏鉆桿雷達探測分辨率分析

雷達探測所能識別的最小目標物體的能力為探測分辨率,在采煤工作面隱伏鉆桿探測中探測儀器的分辨率非常重要,探測的最大困難就在于鉆桿尺寸相對于采煤工作面太小,鉆桿的尺寸一般為直徑幾個厘米,長度1 m左右,而采煤工作面的尺寸為高為幾米,長度為上百米。雷達波的最小分辨能力能否識別隱伏鉆桿,在探測中至關(guān)重要。

雷達分辨率分為縱向分辨率和橫向分辨率,縱向分辨率也稱時間分辨率由介質(zhì)中的波長λ決定,橫向分辨率又稱空間分辨率,不僅與介質(zhì)中的波長有關(guān),還和目標體埋深h有關(guān),在探測深度范圍內(nèi)埋深越小,分辨率也就越高。一般來說雷達波探測理論上極限的最小分辨率為λ/8,在實際應(yīng)用中考慮到環(huán)境干擾等復(fù)雜因素,實際應(yīng)用縱向分辨率為λ/4,橫向分辨率為λh/12[11]。

其中,λ為波長;v為波速;f為頻率。電磁波在相同媒質(zhì)中傳輸?shù)乃俣炔蛔?波長就和頻率成反比,頻率越大,波長越小,同時探測分辨率就越高[12]。

在隱伏鉆桿探測中,煤層的ε′1為2.3～3.6,選取雷達波的主頻為100 MHz,探測距離為4 m?？捎嬎愠隼走_波在煤層中的波長為1.58～1.98 m,則雷達波在煤層中的縱向分辨率為0.395～0.495 m,橫向分辨率為0.527～0.660 m。而國內(nèi)常用的鉆桿直徑為0.04～0.09 m,長度為0.75～1.50 m,鉆桿長度大于雷達波在煤層中的最小分辨率。因此從理論上估算,主頻為100 MHz的雷達波能很好地探測識別煤層中的隱伏鉆桿。

1.4 煤礦井下雷達探測干擾分析

探地雷達在地面工作時,屬于半空間環(huán)境,電磁波向周圍空間發(fā)散出去,數(shù)百米范圍內(nèi)的地面突出物體產(chǎn)生的反射波疊加在雷達接收圖譜上,形成干擾,其特點是干擾范圍大,深度深,干擾曲線多呈雙曲線形狀。探地雷達在煤礦井下工作,類似于全空間環(huán)境,在狹小的空間內(nèi)干擾源要比地面少,主要干擾源來自探測后部的反射,特別是金屬體的反射,如圖2所示。其特點是雷達波在金屬表面產(chǎn)生全反射,在空氣中不衰減,產(chǎn)生的反射波能量強,中心頻率幾乎不偏移。由于距離近,干擾的范圍小,深度淺,強度大,干擾曲線多呈現(xiàn)直線,如圖3所示。

圖2 井下雷達后部反射干擾示意Fig.2 The map of GPR rear interference in coal mine

圖3 井下雷達后部反射干擾波形Fig.3 The waveform of GPR rear interference in coal mine

井下金屬體產(chǎn)生的干擾可根據(jù)與巷道的分布關(guān)系分為線性干擾和獨立物體干擾。線性干擾金屬體一般沿巷道方向展布,多屬于巷道整體環(huán)境的一部份,干擾比較有規(guī)律,比較容易識別,如金屬支護,管線,錨網(wǎng)等。獨立金屬體干擾沒有規(guī)律,特別容易和探測目標混淆在一起,探測時一定要盡量避開,如鉆機、掘進機、機電設(shè)備等。

對雷達圖譜上的干擾波形,可以通過后期疊加、濾波等技術(shù)手段進行部分抑制和消除,突出雷達異常反射,如圖4所示。圖4中為一鉆桿探測異常圖譜。由于水平反射干擾過多,信號較為強烈,鉆桿異常在圖中顯示并不明顯,容易忽略掉。采用KL變換法消除水平干擾后的時間雷達剖面圖就很容易看出雷達剖面上的異常。

圖4 干擾去除剖面對比Fig.4 The map of original data and remove the interference

然而,由于井下金屬干擾距離近、能量強、去噪困難且效果有限,去噪過度還有可能損害有效信息。經(jīng)多次實驗研究表明,最佳解決辦法是采用屏蔽天線進行探測,反射和接收天線均采用銅屏蔽罩,能同時大幅降低干擾源的產(chǎn)生和接收,很好地解決了雷達探測的井下干擾問題,極大地提高了探地雷達對煤層中隱伏鉆桿的探測準確度,如圖5所示。

圖5 雷達屏蔽對比效果Fig.5 The effect contrast of radar shielding

2 雷達探測隱伏鉆桿正演模型

探地雷達的正演模擬數(shù)值方法主要有兩大類:幾何射線法和波動方程法。幾何射線法主要根據(jù)雷達波快速傳播的物理學特點,利用射線理論的原理來模擬雷達的傳播特性,缺少雷達波的動力學信息。波動方程法則利用波動方程理論來建立雷達波傳播方程,通過方程求解來獲得雷達波傳播運動的規(guī)律。因此,對探地雷達的正演,波動方程模擬一直占有重要地位。其中時域有限差分(FDTD)方法在計算電磁學領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展,成為探地雷達波數(shù)值模擬效果較好的一種工具和方法[13－15]。

模擬煤層情況建立隱伏鉆桿雷達波探測正演模型。設(shè)鉆桿長度為0.75 m,直徑為0.073 m,鉆桿相對介電常數(shù)為10,電導(dǎo)率為5×107s/m,如圖6所示。設(shè)煤的相對介電常數(shù)3.5,電導(dǎo)率為5×10－4s/m。天線中心頻率為100 MHz,空間步長0.015 m,時間步長0.25 ns。

目前使用的防爆探地雷達使用調(diào)幅脈沖源,正演中使用的模擬激勵源的脈沖子波形式為

其中,ω0為中心頻率;α為脈沖的衰減速率系數(shù)。模型采用GPML邊界吸收條件時域有限差分法計算。

圖6 隱伏鉆桿探測正演模型示意Fig.6 The mode of buried drill pipe detection

正演模擬的結(jié)果如圖7所示,圖上顯示模擬隱伏鉆桿的雷達反射回波呈經(jīng)典的雙曲線反射回波,回波圖像清晰、完整。從正演模擬的角度證明中心頻率為100 MHz的雷達波對長0.75 m、直徑0.073 m的隱伏鉆桿有很明顯的識別能力。

圖7 雷達正演模擬結(jié)果Fig.7 The result of GPR forward modeling

3 采煤工作面隱伏鉆桿雷達探測實例

3.1 基本概況

山西陽泉某大型新建礦井,批準設(shè)計生產(chǎn)能力5.0 Mt/a,可采煤層4層,可采總厚8.78 m,瓦斯含量大,屬于瓦斯突出礦井。井田位于沁水煤田東部邊緣中段,處于華北斷塊呂梁—太行斷塊沁水塊拗武鄉(xiāng)—昔陽北北東向褶帶的東部邊緣,總體上呈一東高西低的單斜,在單斜基礎(chǔ)上發(fā)育的次級褶曲,由背向斜相間組成,軸向為NNE向,與地層走向一致,背向斜兩翼傾角在5°～20°,區(qū)內(nèi)斷層較多,分布較集中;褶曲發(fā)育,軸向不一;北部陷落柱較多。

首采工作面為15號煤層,煤質(zhì)為3號無煙煤。煤層平均厚度5.12 m,全區(qū)穩(wěn)定可采。地層上屬于石炭系上統(tǒng)太原組,主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、海相泥巖、灰?guī)r和煤層組成。一般含夾石2～4層,最多可達6層,夾石巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖,頂板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。底板常為炭質(zhì)泥巖,有時為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。15號煤層軟分層位于頂板下0.2 m左右,一般厚0.15～0.30 m,局部可增到0.5 m以上。

為了解決瓦斯問題,首采工作面巷道掘進采用跟頂作業(yè),在巷道布置大量抽放鉆孔,進行瓦斯抽放,由于發(fā)育煤層軟分層,瓦斯大,在打鉆抽放過程中,頻繁發(fā)生鉆桿卡鉆、斷裂事故,據(jù)礦方初步統(tǒng)計,有上千米,數(shù)百噸鉆桿遺留在采煤工作面中,形成位置不確定的隱伏遺留鉆桿,給采煤工作帶來嚴重的安全隱患。為了在回采前提前采取措施,需要對隱伏鉆桿進行超前探測,確定準確位置。

3.2 現(xiàn)場探測

探測儀器選用中煤科工集團重慶研究院生產(chǎn)的KJH－D防爆探地雷達,天線中心頻率為100 MHz,天線體制為收發(fā)分離式屏蔽天線對,步距0.1 m,疊加次數(shù)16次,時間窗口300 ns,數(shù)據(jù)處理采用平均時間濾波對隨機干擾進行了壓制,采用SEC增益突出了異常波形。探測目的主要為超前探測工作面測線前方的抽放隱伏鉆桿,并對隱伏鉆桿位置進行定位。

探測地點為山西陽泉某礦15104首采工作面。利用采煤機檢修時隙進行探測,不影響生產(chǎn)。選擇在采煤工作面上進行測線布置和放置天線,按一定步距移動掃描探測,探測預(yù)報采煤正前方的鉆桿異常情況。測線布置在切眼中部,測線長度約為60 m, 0.1 m一個測點,測線高度為1 m,共采集測點600個。

3.3 典型成果圖譜

探測成果圖譜分為兩種典型的情況:一種是鉆桿方向垂直于切眼巷道,如圖8(a)所示;另一種是鉆桿方向平行于切眼巷道,如圖8(b)所示。圖8中橫坐標表示切眼巷道布置的測線位置,縱坐標表示垂直于切眼向回采工作面探測的方向,左側(cè)用雷達雙程走時(ns)表示,右側(cè)轉(zhuǎn)換成探測深度(m)。從圖8可以看出雷達波在橫向上反射波同相軸連續(xù)性產(chǎn)生斷裂和偏移,形成明顯的異常區(qū)域,成為判斷隱伏鉆桿水平位置的主要依據(jù)。

其中,圖8(a)隱伏鉆桿方向垂直于切眼巷道,距離采煤工作面的深度約為2.5 m,長度約為3 m;圖8(b)隱伏鉆桿方向平行于切眼巷道,距離采煤工作面的深度為1.8 m,長度約為4 m。

3.4 探測驗證結(jié)果

圖8 雷達探測垂直和平行隱伏鉆桿成果Fig.8 The results of buried vertical drill pipe detection and buried parallel drill pipe detection

在首采工作面切眼巷道對工作面進行多次隱伏鉆桿探測實驗,探測預(yù)報全部經(jīng)過回采驗證,統(tǒng)計結(jié)果是:預(yù)報異常11次,其中9次為隱伏鉆桿異常,2次為小斷層異常,鉆桿預(yù)報準確率為81.2%,探測預(yù)報和驗證情況見表1。

表1 鉆桿探測實驗驗證情況Table 1 Experiment of buried drill pipe detection

4 結(jié) 論

(1)防爆探地雷達能夠準確探測采煤工作面的隱伏鉆桿,該方法具備理論成熟、井下探測快捷方便、能在采煤工作面進行連續(xù)掃描探測等優(yōu)點,有利于提前采取措施保障煤礦安全生產(chǎn)。

(2)現(xiàn)場探測要充分利用鉆孔、掘進等基礎(chǔ)資料綜合分析,探測結(jié)果要不斷與井下驗證情況相對比,總結(jié)提高解釋精度和可靠性。

(3)防爆探地雷達對煤礦小尺寸隱伏異常進行高精度快速定位探測工作具有廣闊的發(fā)展前景。

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Study on the high precision detection of buried drill pipe by ground penetrating radar in the coal face

SONG Jin1,2,WANG Lei3

(1.School of Geosciences and Info-physics,Central South University,Changsha 410083,China;2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology& Engineering Group Corporation,Chongqing 400039,China;3.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to detect buried drill pipe in coal face,discussed the advanced detection method of buried drill pipe in the coal face by explosion-proof ground penetrating radar(GPR)technology.On the principle of GPR,proved the feasibility of buried drill pipe detection using high frequency impulse electromagnetic wave,calculated the reflection coefficient of interface between drill pipe and coal seam between 0.25 and 0.35,built the model of buried drill pipe detection,analyzed the corresponding characteristics of radar reflection wave.Through the buried pipe detection example of Yangquan mining area,the location and position of buried drill pipe was accurately determined,and the detection results was verified by mining with very good geological effect,through statistical accuracy of detecting buried drill pipe is 81.2%.Research shows that the high precision advanced detection of buried drill pipe by explosion-proof GPR can be realized to solve the difficult problem of buried drill pipe detection in the coal face.

buried drill pipe;coal face;advanced detection;explosion-proof ground penetrating radar;high frequency impulse electromagnetic wave

P631

A

0253－9993(2014)03－0537－06

宋 勁,王 磊.探地雷達探測采煤工作面隱伏鉆桿研究[J].煤炭學報,2014,39(3):537－542.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1229

Song Jin,Wang Lei.Study on the high precision detection of buried drill pipe by ground penetrating radar in the coal face[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):537－542.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1229

2013－08－27 責任編輯:韓晉平

國家自然科學基金重點資助項目(50534080)

宋 勁(1974—),男,四川樂山人,高級工程師,博士研究生。Tel:023－65239460,E－mail songjin33@163.com