羅壽濤 仇念廣 祁云望

（1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司地質測量部，陜西 韓城 715400;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著煤層開采向深部延伸，掘進中地質構造問題也日益復雜[1]。針對日益復雜的構造問題，主要是應用地震波、地質雷達、瞬變電磁、高密度電法等地球物理勘探技術為代表的物探技術[2]。其中地震波勘探技術和地質雷達技術能夠很好地解決掘進過程斷層、陷落柱等典型構造問題，但是對巷道掘進中遇到的造成煤層起伏的小褶皺研究相對較少。

小褶皺受構造應力場的影響而發(fā)育，小褶皺使得煤層起伏變化較大，在巷道掘進過程中，常常需要變更巷道掘進設計，增加了掘進時間和掘進成本，影響了生產效率，也不利于煤礦的安全生產。目前，對于小褶皺的探測主要以鉆探工作為主，但其施工較慢且成本較高?；诖爽F狀，本文利用地質雷達探測技術，通過建立正演模型，數值模擬分析褶皺的地質雷達超前探測響應特征，初步明確了地質雷達超前探測小褶皺的可行性，在象山礦井開展了現場探測應用試驗，進一步證明了地質雷達可有效應用于小褶皺超前探測。

1 地質雷達原理

地質雷達是通過向介質體發(fā)射電磁波，在均質介質中電磁波的頻率、振幅、相位等波形特征基本保持不變，電磁波衰減特征不明顯。但是，當電磁波遇到斷層、陷落柱、煤巖界面、破碎帶等電性差異較大的界面時，電磁波受到反射、折射、吸收等影響，呈現不同程度的衰減特征，其頻率、振幅、相位等波形信息變化較大。

在煤礦巷道掘進中，若掘進前方存在煤層起伏現象，地質雷達探測時，發(fā)射的地質雷達電磁波遇到煤巖界面時，煤、巖的相對介電常數、電導率有所差異，在該處會產生較為明顯的反射，由反射系數（公式1）可知煤、巖的這種電性參數差異越大，反射越明顯[3-5]。

式中：ε1、ε2分別為煤、巖的相對介電常數。

利用地質雷達電磁波的反射特征差異性，即地質雷達波形差異特征，可以確定異常地質體的位置，以及其大小、產狀、形態(tài)特征等具體信息，其發(fā)育位置距探測點的位置可由地質雷達的雙程旅行時、地質雷達波速、發(fā)射天線和接收天線間距獲得，即：

式中：L為探測點與異常地質體的距離，m；v為地質雷達波速，m/s；t為地質雷達電磁波由探測點到異常地質體的雙程旅行時間，s；Δs為發(fā)射天線與接收天線的間距，m。

2 時域有限差分原理

地質雷達是基于麥克斯韋電磁場理論的技術。1966 年K.S.Yee 提出了FDTD 時域有限差分法，通過建立Yee 元胞網格，實現了空間網格的離散化。離散化的網格空間比較有利于建立網格模型，進行正演數值模擬。在正演模擬中，常常基于二維空間電磁波中的TM 波理論開展，TM 波主要由Hx、Hy和Es 組成。

建立正演模型，一般為正方形網格，其計算時間短、效率高。為確保解釋穩(wěn)定性，模型網格步長和電磁波時間間隔需要滿足：

式中：Δt為電磁波時間間隔，s，Δd為網格步長間隔，m；c為電磁波波速，m/s。

在FDTD 運算中，空間網格離散化會造成色散，網格越小這一現象則越弱。但過小的網格，耗時更長。因此，需要選取合適的網格步長，根據Taflove的研究，一般需滿足：

建立的模型是有限空間，因此FDTD 限定了運算空間，運算過程中在模型邊界會存在一定程度的發(fā)射現場。所以，一般采用PML 完全匹配吸收邊界條件，以降低消除反射，從而模擬無限的地質雷達電磁場空間，以獲得更為真實的模擬效果。

3 正演模擬分析

3.1 正演模型建立

煤層中發(fā)育小褶皺時，造成煤層呈現為不同程度的起伏狀態(tài)，如圖1。地質雷達順煤層探測時，地質雷達信號會遇到頂板或底板不同巖性，如泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖等。依據井下工況條件和地質雷達最大探測距離，建立圖2 所示4 m×60 m的正演模型。

圖1 煤層小褶皺構造示意圖

3.2 正演模擬參數

依據小褶皺探測遇到的地層巖性，建立如圖3所示正演模型。不同巖性的電性參數有所差異，依據前人研究成果，本次正演模型的數值模擬分析采用的電性參數見表1。

圖2 正演模型

表1 褶皺正演模型介質的電性參數

為確保探測距離能夠達到50～60 m，地質雷達主頻設為50 MHz，天線間距2 m，天線移動步長0.1 m，模型網格大小為0.02 m，時窗長度為700 ns。

3.3 正演數值模擬分析

以上述正演模型及其電性參數為基礎，可得到如圖3 所示的正演模擬成果。

圖3 正演模擬成果

由圖3 小褶皺地質雷達超前探測數值模擬成果可見，地質雷達電磁波在小褶皺處由于穿遇煤巖界面、泥巖砂巖界面以及不同砂巖反射界面時，均產生了反射界面，其呈現為多組連續(xù)強反射的特征。這為煤礦掘進工作面小褶皺構造地質雷達超前探測提供了理論支撐和解釋依據。

4 應用實例

4.1 地質概況

象山礦井位于渭北石炭二疊紀煤田東部邊緣的韓城礦區(qū)，地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)。整個井田構造形態(tài)基本上為走向NE—SW，傾向NW 的單斜構造。井田發(fā)育的褶皺軸向以NW 向和近EW 向為主，次為NE 向，小褶皺使煤層形成了較為寬緩的波狀起伏，對生產礦井巷道布置和采掘生產有一定影響。

本次現場試驗在象山礦井南翼5#煤膠帶輸送機大巷14 點前96.3 m 處開展，該巷道已掘進部分揭露小斷層和小褶皺。該區(qū)域內5#煤層結構復雜，含泥巖夾矸一層，厚度0.1～0.3 m，平均0.20 m，煤層厚度2.6～3.1 m。煤層偽頂為0.1～0.2 m 黑色泥巖，直接頂為厚度1.0～2.3 m、平均厚1.5 m 左右的灰色細砂巖、灰黑色粉砂巖，老頂為厚度2.4～10.6 m、平均厚7.0 m 左右的灰色中砂巖、黑色粉砂質泥巖或粉砂巖。直接底板為厚0.9～1.4 m 的黑色泥巖，底板為厚度1.0～9.4 m 的黑色砂質泥巖或泥巖。巷道頂板距3#煤層底板17～20 m，巷道底板距11#煤層頂板31.2～35 m。

4.2 地質雷達探測成果分析

本次試驗在掘進工作面布置了兩條自左向右的水平測線，頻率50 MHz，天線間隔2 m，天線移動步長0.1 m，采樣時窗1000 ns，采樣間隔1600 ps，疊加次數64，增益90 dB，波速0.18 m/ns。探測采集方式采用人工單點手動采集，此外為利于后期處理解釋分析，采用天線移動一次，連續(xù)采集5 次的方式，以獲得更多的數據。

采集后的地質雷達數據，經處理后得到如圖4所示的成果圖。測線L1、L2在260 ns 處，即23.3 m 處均存在明顯的連續(xù)強反射，且左側相對右側較強。而根據前期掘進進尺情況可知，巷道內主要揭露的為小斷層和局部小褶皺，但是斷層一般表現為單一的強反射，即一條強反射界面。然而，該處的異常地質雷達波呈現為多組的連續(xù)強反射，與前期小褶皺的正演數值模擬結果一致?？梢娺@一組連續(xù)強反射可能為地層連續(xù)變化的響應，即可能為煤層產狀變化形成的多個煤巖反射界面，即小褶皺。其他區(qū)域地質雷達反射信號異常響應不明顯，由此分析推測，掘進正前方50 m 范圍內在23.3 m 處可能存在小褶皺構造發(fā)育。

圖4 地質雷達探測成果（左：L1、右：L2）

4.3 成果驗證。

針對本次地質雷達超前探測到的小褶皺構造進行跟蹤，后期巷道掘進中發(fā)現在22.6 m 處煤層開始向下傾，進一步跟蹤揭露了該處為寬34 m 的小向斜構造。由此可見，地質雷達超前探測基本確定了向斜的發(fā)育位置，可為煤礦巷道安全掘進提供可靠的地質預報，也進一步驗證了地質雷達在煤礦巷道小褶皺構造探測應用中的有效性。巷道掘進揭露情況如圖5。

圖5 巷道掘進揭露情況

5 結論

特征，可依此規(guī)律指導地質雷達超前探測成果解釋。