礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、地質(zhì)雷達(dá)法探測精度高，對地下地質(zhì)構(gòu)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(yīng)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(zhì)雷達(dá)在煤礦井下應(yīng)用之前，還需要研究解決諸多相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)難題。本文正是基于該技術(shù)現(xiàn)狀在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）課題“煤巖動力災(zāi)害演化過程的物性參數(shù)響應(yīng)規(guī)律”(2005CB221505)、國家自然科學(xué)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(guān)重點項目“電磁波探測技術(shù)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(zhì)雷達(dá)技術(shù)研究工作。
　　首先，研制成功我國新型礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)KJH-D型脈沖式防爆探地雷達(dá)，并獲得MA國家安全標(biāo)志認(rèn)證，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。
　　其次，對雷達(dá)探測理論進(jìn)行了深入理論研究，建立了煤礦井下雷達(dá)波場傳播模型，對煤礦井下常見的地質(zhì)異常模型進(jìn)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(dá)波在煤礦井下的傳播規(guī)律，分析清楚了礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)井下環(huán)境波場信號響應(yīng)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(dá)的井下探測工作方法和數(shù)據(jù)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(zhì)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(zhì)異常的雷達(dá)圖譜，試驗結(jié)果取得了很好的地質(zhì)效果，表明新型礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)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(chǎn)。論文取得的主要研究成果及創(chuàng)新點有:
　　(1)開展雷達(dá)電路防爆改制研究工作，設(shè)計了礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)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(dá)產(chǎn)品，它是我國獲得煤礦安全標(biāo)志認(rèn)證的新型脈沖式礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)，其技術(shù)水平經(jīng)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局規(guī)劃科技司鑒定為國際先進(jìn)水平，并獲得“中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎二等獎”

5、和“重慶市重點新產(chǎn)品”稱號。
　　(2)理論分析了雷達(dá)波在地下介質(zhì)中的傳播特性，推導(dǎo)出雷達(dá)波反射系數(shù)的計算公式，反射系數(shù)值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(dāng)反射系數(shù)|r|＞0.1時，比較適宜于地質(zhì)雷達(dá)探測和識別目標(biāo)體。
　　(3)煤礦井下的全空間環(huán)境和條件遠(yuǎn)比地面半空間復(fù)雜，重點分析和研究煤系地層常見介質(zhì)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(dá)波反射界面，有利于雷達(dá)探測識別，煤礦常見的斷層構(gòu)造、陷落柱、含水層、空洞等地質(zhì)異常情況都具備良好的雷達(dá)反射界面，礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)能很好的對它們進(jìn)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(zhì)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(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行煤礦井下礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)介質(zhì)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(zhì)、煤

7、層遺留鉆桿介質(zhì)、煤巖斷層介質(zhì)模型，給出了波場模擬的結(jié)果，取得了良好的模擬效果。結(jié)果顯示雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)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(zhì)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(dá)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(zhì)雷達(dá)探測煤礦井下地質(zhì)異常體的可行性。
　　(6)基于Matlab計算方法對雷達(dá)信號處理技術(shù)和方法進(jìn)行了深入研究。重點對處理前的準(zhǔn)備工作、常規(guī)處理方法、KL變換法、小波變換處理技術(shù)等方面進(jìn)行分析研究，編寫了相應(yīng)的處理程序，完善和改進(jìn)了雷達(dá)數(shù)字信號處理技術(shù)和方法。
　　(7)開展了煤礦井下礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)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(biāo)體的原則;兩種方式是指礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)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(jìn)頭、側(cè)幫和頂?shù)装濉Ｔ敿?xì)分析了三個方向探測的目的、意義、工作方法和預(yù)期獲得的成果。
　　(8)運用新型礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)KJH-D防爆探地雷達(dá)在全國瓦斯地質(zhì)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(jìn)頭超前探測，也有巷道側(cè)幫探測和底板探測，探測的目標(biāo)體有斷層構(gòu)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(zhì)異常的典型雷達(dá)圖譜。在成莊礦井下原位采集了雷達(dá)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(yīng)用試驗研究，共進(jìn)行礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)超前探測52次，預(yù)測預(yù)報距離2390m。實驗結(jié)果表明脈