礦井防爆地質雷達關鍵技術研究.pdf

1、地質雷達法探測精度高，對地下地質構造異常情況有比較好的分辨率，探測便捷，成果直觀，近年來地面應用較多。而在煤礦井下，因為受煤礦井下防爆環(huán)境與空間的限制，地質雷達在煤礦井下應用之前，還需要研究解決諸多相關關鍵技術難題。本文正是基于該技術現(xiàn)狀在國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）課題“煤巖動力災害演化過程的物性參數(shù)響應規(guī)律”(2005CB221505)、國家自然科學基金重點項目“煤與瓦斯突出危險區(qū)探測理論與方法”(50534080)和國家

2、十五科技攻關重點項目“電磁波探測技術和裝備的研究”(2004BA803B0101)的資助下開展適用于煤礦井下環(huán)境的新型沖擊脈沖式礦井防爆地質雷達技術研究工作。
　　首先，研制成功我國新型礦井防爆地質雷達KJH-D型脈沖式防爆探地雷達，并獲得MA國家安全標志認證，填補了國內的空白。
　　其次，對雷達探測理論進行了深入理論研究，建立了煤礦井下雷達波場傳播模型，對煤礦井下常見的地質異常模型進行了系統(tǒng)的波場數(shù)值模擬和正演模型數(shù)值模擬

3、。理論上驗證了雷達波在煤礦井下的傳播規(guī)律，分析清楚了礦井防爆地質雷達井下環(huán)境波場信號響應規(guī)律和各典型地電模型的正演情況。
　　最后，針對我國煤礦井下的特殊情況開展了新型雷達的井下探測工作方法和數(shù)據處理研究，建立一套完整的煤礦井下探測工藝。在全國典型瓦斯地質重點礦區(qū)開展了大量的探測試驗，獲得了斷層、陷落柱等多種典型地質異常的雷達圖譜，試驗結果取得了很好的地質效果，表明新型礦井防爆地質雷達技術能很好的解決煤礦井下近距離高精度探測的難題

4、，提高了礦井物探水平，豐富了礦井物探手段，有利于保障煤礦安全生產。論文取得的主要研究成果及創(chuàng)新點有:
　　(1)開展雷達電路防爆改制研究工作，設計了礦井防爆地質雷達的防爆電源和電路，研發(fā)了100MHz的屏蔽天線對，研制出適用于煤礦井下的KJH-D型脈沖式防爆探地雷達產品，它是我國獲得煤礦安全標志認證的新型脈沖式礦井防爆地質雷達，其技術水平經國家安全生產監(jiān)督管理總局規(guī)劃科技司鑒定為國際先進水平，并獲得“中國煤炭工業(yè)科學技術獎二等獎”

5、和“重慶市重點新產品”稱號。
　　(2)理論分析了雷達波在地下介質中的傳播特性，推導出雷達波反射系數(shù)的計算公式，反射系數(shù)值r由分界面兩側介質的相對介電常數(shù)決定，其大小絕對值小于1。當反射系數(shù)|r|＞0.1時，比較適宜于地質雷達探測和識別目標體。
　　(3)煤礦井下的全空間環(huán)境和條件遠比地面半空間復雜，重點分析和研究煤系地層常見介質的電性特點，研究了電磁波在煤系地層中傳播的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電磁波在煤中的傳播速度大于在巖石中的傳播速度

6、，煤巖分界面反射系數(shù)的絕對值大于0.1，是非常良好的雷達波反射界面，有利于雷達探測識別，煤礦常見的斷層構造、陷落柱、含水層、空洞等地質異常情況都具備良好的雷達反射界面，礦井防爆地質雷達能很好的對它們進行探測和識別。
　　(4)針對煤礦井下情況建立固定點源的單一介質波場模型，系統(tǒng)模擬了自由空間、巖層、煤層三種具有代表性的介質模型。在此基礎上進行煤礦井下礦井防爆地質雷達介質波場數(shù)值模擬，建立了三種典型的井下波場模型:含煤層層狀介質、煤

7、層遺留鉆桿介質、煤巖斷層介質模型，給出了波場模擬的結果，取得了良好的模擬效果。結果顯示雷達波在異常分界面上都存在明顯的反射，證明了礦井防爆地質雷達煤礦井下探測的有效性。
　　(5)用Matlab數(shù)值計算軟件的編程語言編寫了二維的二階Mur邊界吸收條件和GPML邊界吸收條件(GPMLABC)的時域有限差分法正演模擬程序，基于該程序系統(tǒng)地正演模擬煤礦井下實際物探工作中最典型的，出現(xiàn)最多的地質模型-超前探測斷層模型，另外還正演模擬了陷落

8、柱、空洞、煤層遺留鉆桿等幾種典型煤礦井下地電模型，獲得雷達回波的模擬圖像，從地球物理正演的角度再次證明礦井防爆地質雷達探測煤礦井下地質異常體的可行性。
　　(6)基于Matlab計算方法對雷達信號處理技術和方法進行了深入研究。重點對處理前的準備工作、常規(guī)處理方法、KL變換法、小波變換處理技術等方面進行分析研究，編寫了相應的處理程序，完善和改進了雷達數(shù)字信號處理技術和方法。
　　(7)開展了煤礦井下礦井防爆地質雷達探測技術和工

9、藝研究，提出井下探測工作的“一二三”方法，即一個原則、兩種方式、三個方向。一個原則是指測線布置盡量垂直探測目標體的原則;兩種方式是指礦井防爆地質雷達探測的兩種方式:固定平移和共中心點式;三個方向是煤礦井下巷道探測的三個方向:掘進頭、側幫和頂?shù)装?。詳細分析了三個方向探測的目的、意義、工作方法和預期獲得的成果。
　　(8)運用新型礦井防爆地質雷達KJH-D防爆探地雷達在全國瓦斯地質典型礦區(qū)開展了種類多樣和系統(tǒng)的煤礦井下巷道探測試驗研究

10、。探測實驗既有巷道掘進頭超前探測，也有巷道側幫探測和底板探測，探測的目標體有斷層構造、陷落柱、煤層沖刷帶、煤巖界面、臨近煤層和鉆桿異常等，獲得了大量豐富的煤礦地質異常的典型雷達圖譜。在成莊礦井下原位采集了雷達波在3號煤層中傳播的實際波速為0.152m/ns，推算出3號煤的相對介電常數(shù)為3.9。
　　(9)在淮南礦區(qū)開展了為期一年的煤礦井下巷道應用試驗研究，共進行礦井防爆地質雷達超前探測52次，預測預報距離2390m。實驗結果表明脈