地质雷达在煤矿超前地质预报中的应用研究

Coal Mining Technology 地质雷达在煤矿超前地质预报中的应用研究 地质雷达在煤矿超前地质预报中的应用研究 高 川 李 永 （皖北煤电集团公司钱营孜煤矿，安徽 宿州 234000） 【摘 要】通过对地质雷达探测原理的深入理解，结合地质雷达在矿井超前地质预报中的经验，总结了断层破碎带，富水带，节理裂隙密集带等不良地质现象在地质雷达波形上的响应特征，并进一步分析了地质雷达低频的原因，从而为以后地质雷达超前地质预报提供参考经验，提高预报的准确性。 【关键词】地质雷达；断层破碎带；响应特征；低频 引言 地质雷达用于矿井超前地质预报的特点是探测距离短、探测精度高且成果可靠[1]。对于如何根据地质雷达的波形和频谱特征判断围岩质量及各种不良地质现象，前人在使用地质雷达进行超前地质预报时取得了很多宝贵的经验[2-3]。但由于各地下工程的地质条件千变万化，根据地质雷达的波形和频谱特征判断围岩质量及不良地质现象既有共性，也有特性，因此超前预报既要参考前人经验，又要根据各矿井的具体地质条件在每一个工区进行详细的总结，才能提高超前预报的质量。 根据地质雷达在矿井地质预报中的经验，将各种常见的不良地质现象如断层破碎带、富水带、岩溶带等在地质雷达上的响应特征进行总结，从而为以后类似不良地质现象的预报提供参考依据，从而提高超前地质预报的准确率。 1 地质雷达的基本原理 电磁波在介质中传播时，当遇到电磁差异界面时，将依据电磁波的反射和透射定理产生反射和透射电磁波。反射波的强度及透射波的强度大小取决于反射系数（见式1）及透射系数（见式2）。 反射系数： 式中：ε1，ε2分别为上下层电磁波传播介质的介电常数。 由上式可以看出，电磁波反射系数的大小主要是由界面两侧的相对介电常数决定的，界面两侧介电常数差异越大，反射越强烈，越有利于探测到异常界面的存在。这是地质雷达探测的地球物理基础。 2 不良地质现象在地质雷达上的响应特征 2.1 断层破碎带 断层破碎带是煤矿常见的一种不良地质现象，以其松散、破碎、含水量多会对煤矿掘进与开采施工产生影响，因此对其进行准确预报，提前采取预防措施具有重要意义。 刘基[4]，肖宏越[5]等总结的成果表明断层破碎带的雷达波形错段、分叉、合并等现象多，波形连续性差、电磁波能量衰减快、波幅变化大，波形杂乱；雷达波在穿越破碎带的过程中，有时出现低频化现象，电磁波能量衰减快且规律性差，特别是高频成分衰减很快，自动增益梯度较大。 通过某断层破碎带8条测线的探测结果分析表明，会出现两种情况，一是信号频谱正常，整个探测深度内都有波形，但波形连续性差，波形错断、分叉、合并等现象较多，波幅变化大，波形杂乱，典型见图2-1。 另一种情况是信号低频，仅浅部有信号且波形较杂乱，深部信号微弱或基本没有。 通过前人总结及实地探测的成果表明，当探测到以上波形现象时，应注意是否存在破碎带的可能，及时提出预警。 ︱386︱华东科技 图2-1 断层破碎带波形 2.2 富水带 富水带在地质雷达波形图上的特征是波形反射强烈，波幅宽大，波形连续性较好，呈黑条带状；其相位显示为负相，频谱图一般会显示低频。出现此现象的主要原因是水充满节理裂隙而使反射面连续性较好、水的介电常数与岩石的介电常数差异大且电磁波在穿越水时高频成分衰减很快，因此显示出以上波形特征。以下图片是某富水段探测的结果，频谱见图2-2。 图2-2 富水带频谱 2.3 节理裂隙密集带 节理裂隙密集带的主要裂隙面由于其产状均大致相同，因而在地质雷达上的响应是波形图上的一系列连续性较好的大致平行的同相轴，总体上看波形相对较平整，与富水带的差别是反射没有富水带的长同相轴反射强烈，还有就是其频谱图上不会显示低频。 2.4 围岩强风化带 一般围岩强风化带普遍被认为是均匀性较差，在地质雷达上的响应应该是波幅变化大，波形连续性差，波形杂乱。出现以上现象的原因主要是因为强风化的云母石英片岩结构面空隙均被泥质充填，结构面两侧的岩体均向内部发生不同程度的风化，导致围岩的介电常数是逐渐变化的，不存在突变，因而不存在强反射面且同相轴振幅小，此外由于围岩本身破碎，又被风化均一，因此横向、纵向均不存在介电常数突变的强反射界面，故振幅变化都较均匀。 3 讨论与分析 已有的研究成果表明，地质雷达电磁波在遇到岩石破碎或岩石大量富水时，会产生低频现象。从图2-1的波形图和图2-2的频谱图可看出，在前方围岩中富含大量的水时，电磁波信号的振幅会比较宽大，同时电磁波的频谱呈现低频的特征（100MHZ的地质雷达天线的主频为75-110MHZ之间）。 出现此种现象的主要原因，笔者认为结合探测介质的特性（破碎和富水）和电磁波的传播及衰减特征，可以对该现象做出以下解释：电磁波在穿过此类介质（破碎和富水）时，高频率的波衰减快，煤矿技术 低频率的波衰减慢，且频率越高的波衰减越快，因此反射回来被仪器接收到的电磁波高频成分相对减弱，低频成分相对增强了，且越深处反射回来的电磁波低频成分相对越显著。而由波的频率和波长的关系可知，频率越低的电磁波信号，波长越大。因此，在高频信号衰减快的情况下，最终仪器接收到的电磁波信号就综合表现为低频和振幅宽大的现象了。 4 结论 （1）通过实践经验的积累，结合前人已有成果，总结了各种不良地质现象如断层破碎带、岩溶带等在地质雷达波形上的响应特征。 （2）地质雷达电磁波信号的低频现象主要是由于在破碎富水介质中传播时，高频信号衰减快，低频信号衰减慢造成，最终使信号表现为低频和振幅宽大的特征。 （上接第377页） 4.4 水轮机效率 水轮机效率是评价水轮机能量特性的主要指标，直接影响到电站的经济效益。古学水电站以发电为主要开发任务，因此要求水轮机具有较高的效率水平。随着计算机技术的发展以及在水轮机设计上的应用，水轮机的水力设计及模型开发取得了较大的进展，开发了许多优秀的转轮，使该水头段的最高效率超过93.5%，因此，古学水电站水轮机模型最高效率不低于93.5%、额定工况点不低于91%。 4.5 水轮机空化系数 水轮机的空蚀性能通常用空化系数σ表征，空化系数的大小关系水轮机的安装高程及其使用寿命。空化系数可由比转速推导而出，世界各国根据众多的转轮用统计法得出一些经验公式，用于本电站的计算值见表5。 表5 按不同公式计算的装置气蚀系数 序号 1 2 3 4 经验公式 σP =2.56×10×ns-6-61.8-51.642参考文献： [1]杨峰,彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京:科学出版社,2010. [2]李建军,王连成,钟鸣等.地质雷达用于公路隧道围岩级别预报划分探讨[J].山东大学学报(工学版),2009(S2). [3]姜汶泉,刘亚玲,汪林平.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].地下空间与工程学报,2008(4). 作者简介： 高川（1987-），男，学士，助理工程师，毕业于安徽理工大学地质工程专业，现在皖北煤电集团公司钱营孜煤矿从事矿井地质及水文地质技术工作。 综上所述，古学水电站模型水轮机基本参数范围如下： 1）综合指标： ns=140m·kW～165m·kW，K= 1600～1889 2）最优工况：n'10=66～68r/min，Q'10=0.46m3/s～0.48 m3/s ，η≥93.5% 3）限制工况：Q'1=0.57m3/s～0.59 m3/s，η≥91.0% 4）空化系数：σP =0.08～0.09，σi =0.073～0.082，σi =0.05～0.057 4.7 原型水轮机主要参数 根据以上模型水轮机参数选择，并参考相关制造商为古学水电站做的初步选型资料，推荐古学水电站原型水轮机的主要参数如下： 水轮机型号： 转轮进口直径D1： 额定效率： 额定点比转速： HL（146）-LJ-260 2.6m ≥92% 146m·kW 额定出力： 额定流量： 额定转速： 额定点比速系数： 46.44MW 38.90m/s 300r/min 1671 3σP取值范围 0.091 0.074 0.073 0.081 备注 美国垦务局 日本 哈尔滨大机电研究所 奥地利VOITH σ P =3.46×10×ns σP =8×10×ns+0.01 σP =7.56×10 ns -51.4根据表5计算结果，选择水轮机装置气蚀系数σP =0.08～0.09之间较合适。初生和临界空化系数分别大于1.1和1.6；则模型水轮机初生空化系数σi =0.073～0.082，临界空化系数σi =0.05～0.057。 4.6 模型水轮机目标参数汇总 5 结束语 本电站地处藏区，海拔相对较高，汛期泥沙集中，含沙量大，这些不特定因素对水轮机参数的选择和结构设计提出了特殊要求，在参数选择时综合考虑以上因数，适当降低了水轮机的参数水平，优化结构型式，突出保证机组的稳定和安全运行。在下一阶段机组的招标过程中，应对上述预想目标参数为基础进行细小调整，使之配合最为合适，并对抗泥沙和磨损措施提出相关要求。 参考文献： [1]水电站机电设计手册.水力机械.水利电力出版社,1989. [2]中国水力发电工程.机电卷.中国电力出版社,2000. 确的地质资料，过去采用加密坑探网度，一次提出高级储量的办法，但探矿工程做得过早过密，带来了地压增大，巷道坍塌，破坏了矿体，对采矿不利。后改为生产探矿与开拓、采准和切割相结合，坑探与钻探结合，逐步加密探矿，分次提出探矿资料，分次设计。这样，探矿巷道可大部分（约70～80%）为采矿所利用，降低采准比，节约成本。 两翼回采，分区通风。过去、分段的回采是由北向南推进。为满足产量的要求，回采工作至少要在三个分段上同时作业。推广“三强”后，改为两翼回采，即在一个600～900m长的分段上，分为两个采区，每个采区由两翼向中央推进，形成两翼回采顺序。如图4所示。这样，只要一个分段进行回采就能满足产量要求，大大提高了阶段开采下降速度，减少了巷道维护时间，缩短了作业线利于集中管理。 改进落矿方案，简化工艺。采取限制空间的挤压爆破方案。减少了采准工程量，增强矿体的稳固性，改善了落矿质量，提高了矿块的出矿强度。 参考文献： [1]贾福聚,秦德先,张文源,伍伟,杨晓坤.云南都龙锡锌多金属矿床矿化趋势分析及成矿规律[J].有色金属.2010(01). [2]张彬,文兴.坑下顶底柱矿量回采实践[J].采矿技术,2010(06). [3]袁节平,袁子钢.821吨炸药____柿竹园井下爆破落矿规模一举突破百万吨级大关[J].矿业研究与开发,2010(01) （上接第408页） （6）坚持均匀放矿； （7）不断提高巷道掘进、支护的机械化程度。 在生产调度管理上要重点突出，建立科学管理制度，合理确定三级储量保有期，以适应高速度、高质量的要求。蜂子山矿段实行“三强”以来，采场从采准切割开始的生产周期减少4～5个月，全员劳动生产率提高50%，采场出矿强度提高2.5倍，采矿成本降低38%，损失、贫化率也大大降低。实践证明，在矿岩破碎、地压大的环境中，“三强”是有效组织生产的一项重要方法。蜂子山矿段也不断在实践中不断总结，为实现“安全、文明、优质、高效”的生产方向前进。 5 应用有底柱分段崩落法实行强化开采的经验 该矿实行以矿块为回采单元，强化掘进、落矿和出矿工作，即“三强”的经验简述如下： （1）生产组织方面：集中作业；编制网络计划，安排平行交叉和连续作业；劳动组织上实行综合工区，矿块生产从采准到出矿结束一包到底。 （2）生产管理方面：调整三级矿量的保有期，将采准矿量减为3.5～4.0个月，备采矿量减为1.0～1.5个月。使储存矿量起衔接生产的作用，不列为三级矿量，其保有期为2～3个月；加强技术管理，服务到队组；做好放矿管理，保证强出；做好材料供应，及时满足生产要求。 （3）工艺技术方面：探采结合，以钻探代坑探。为了获得较准2015.10︱387︱