王選琳 劉 柯 郭召昌

（1. 重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400061；2. 重慶能投渝新能源有限公司打通一煤礦，重慶 401445）

目前，鉆孔地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在探測(cè)金屬礦脈及其位置[1]、大型地下空洞和裂縫等方面應(yīng)用較多，探測(cè)效果較好[2-4]。但該技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用還未見大量的系統(tǒng)報(bào)道[5]。本文將鉆孔地質(zhì)雷達(dá)引入到煤礦井下，在打通一礦211 瓦斯巷巷旁采用不同頻率的雷達(dá)天線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證其探測(cè)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，以期用于掘進(jìn)磧頭前方全方位超前探測(cè)，減少地質(zhì)探孔工程量。

1 鉆孔雷達(dá)探測(cè)原理

鉆孔雷達(dá)的構(gòu)成主要包括主機(jī)、發(fā)射/接收天線、傳輸電纜及配套軟件等，可向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射幾兆赫至幾吉赫的高頻電磁波，遇不均勻體（界面）時(shí)會(huì)反射部分電磁波，反射系數(shù)由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定，最后通過對(duì)雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識(shí)別隱蔽目標(biāo)物的目的。

將發(fā)射/接收天線放于探測(cè)鉆孔中向深部緩慢推進(jìn)，向鉆孔周圍360°空間發(fā)射和接收雷達(dá)信號(hào)，自動(dòng)掃描成像，可探測(cè)鉆孔徑向30 m 范圍內(nèi)的圍巖信號(hào)。通過一個(gè)鉆孔探測(cè)可以計(jì)算分析有害地質(zhì)體的距離和規(guī)模大小。具體探測(cè)原理如圖1 所示。

圖1 鉆孔雷達(dá)探測(cè)原理

2 礦用鉆孔地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備

試驗(yàn)研究采用的是武漢長(zhǎng)盛煤安科技有限公司生產(chǎn)的ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達(dá)，在打通一煤礦井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)，其實(shí)物如圖2 所示。

圖2 鉆孔雷達(dá)儀圖

ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)及對(duì)比表

根據(jù)表1 可看出，ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)為：頻帶寬，可達(dá)75～200 MHz；數(shù)字化天線，抗干擾能力強(qiáng)；抗拉光纖數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)；一鍵式操作，操作簡(jiǎn)單方便；發(fā)射功率大，接收靈敏度高，可探測(cè)較遠(yuǎn)距離；天線密封性好，耐壓值達(dá)2 MPa，適用于干、濕孔探測(cè)；軟件功能強(qiáng)大，適用國(guó)際通用數(shù)據(jù)格式。但該雷達(dá)的信號(hào)易受井下探測(cè)地點(diǎn)周圍大量水、金屬物等的影響，所以在探測(cè)時(shí)盡量要避免這些因素影響。

3 打通一煤礦211 瓦斯巷鉆孔雷達(dá)探測(cè)

為驗(yàn)證礦用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)煤礦井下構(gòu)造探測(cè)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，在打通一煤礦211 瓦斯巷巷旁鉆孔后分別用100 MHz 和200 MHz 的鉆孔地質(zhì)雷達(dá)天線進(jìn)行了探測(cè)。

3.1 100 MHz 鉆孔雷達(dá)天線探測(cè)

在打通一礦211 瓦斯巷旁沿巷道走向施工了三個(gè)鉆孔，鉆孔參數(shù)見表2，平面圖如圖3 所示。

表2 211 瓦斯巷旁鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖3 211 瓦斯巷旁探測(cè)鉆孔竣工圖

鉆孔施工完畢后使用天線頻率為100 MHz 的ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)211 瓦斯巷巷道進(jìn)行了探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 211 瓦斯巷旁100 MHz 天線探測(cè)結(jié)果

由圖4（a）可看出，1#探測(cè)鉆孔深度20.3 m，探測(cè)結(jié)果中未顯示出明顯巷道。圖中方框區(qū)域信號(hào)異常明顯，判斷為空洞（實(shí)際為躲避硐室）。

由圖4（b）可看出，2#探測(cè)鉆孔深度20 m，方框區(qū)域信號(hào)出現(xiàn)明顯變化，判斷為巷道，孔口離巷道約為2.5 m，孔底端離巷道約1 m。20 m 處至21 m 處數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常，判斷為空洞（實(shí)際為躲避硐室）。

由圖4（c）可看出，3#探測(cè)鉆孔深度26.4 m，圖中紅線為巷道，孔口處離巷道約5.3 m。方框處為空洞（實(shí)際為躲避硐室）。

3.2 200 MHz 鉆孔雷達(dá)天線探測(cè)

2019 年12 月4 日，采用天線頻率為200 MHz的ZTR7.2 礦用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)211 瓦斯巷巷旁進(jìn)行了二次探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 211 瓦斯巷旁200 MHz 天線探測(cè)結(jié)果

由圖5 可知，200 MHz 天線的探測(cè)結(jié)果圖中可明顯看見信號(hào)異常區(qū)域，且異常區(qū)域信號(hào)變化精度更大。將圖5 與圖4 進(jìn)行對(duì)比分析可知，200 MHz天線和100 MHz 天線的探測(cè)結(jié)果一致，但天線頻率為200 MHz 的鉆孔雷達(dá)探測(cè)精度更高（200 MHz 天線的探測(cè)精度可達(dá)0.15 m，100 MHz 天線的探測(cè)精度達(dá)0.3 m），探測(cè)結(jié)果圖形的視覺效果更清晰。同時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)探測(cè)軟件上的數(shù)據(jù)可知，天線頻率為200 MHz 的鉆孔雷達(dá)在鉆孔徑向的探測(cè)范圍要小于天線頻率為100 MHz 的鉆孔雷達(dá)，其徑向探測(cè)范圍大致為10 m 左右，而天線頻率為100 MHz 的鉆孔雷達(dá)在鉆孔徑向的探測(cè)范圍可達(dá)15 m 以上。

4 結(jié)論

（1）天線頻率為100 MHz 和200 MHz 的礦用鉆孔地質(zhì)雷達(dá)均能夠準(zhǔn)確地探測(cè)出211 瓦斯巷和巷旁的躲避硐室。

（2）天線頻率為100 MHz 和200 MHz 的礦用鉆孔地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果一致，200 MHz 天線的探測(cè)精度更高，但其鉆孔徑向探測(cè)半徑低于100 MHz天線。鉆孔地質(zhì)雷達(dá)用于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)具備一定可行性和準(zhǔn)確性，可在煤礦井下推廣應(yīng)用。