煤与瓦斯突出危险区超前精细探测技术

朱南南，舒龙勇，张慧杰，陈晓军

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

煤与瓦斯突出作为多因素多场耦合联合致灾的典型煤岩动力灾害[1-2]，其显著制约着突出矿井和高瓦斯矿井的开采强度和采掘深度。随着国内外研究学者对煤与瓦斯突出机理研究的不断深入[3-7]，2009年我国煤矿全面转入“区域防突为主、局部防突为辅”的双“四位一体”综合防突措施阶段，安全生产形势逐年好转，但煤与瓦斯突出事故仍时有发生，且呈现出突出瓦斯量小、中小型突出占比高等新的特征。煤与瓦斯突出多发生在地质构造带及煤层赋存急剧变化处[8-10]，为实现煤矿井下地质构造的精细探测，王选琳等[11]在打通一煤矿开展了钻孔雷达的试用验证。国内的钻孔雷达应用研究出现较晚，1999年中国矿大学者黄家会等[12]首次使用钻孔雷达对北京市郊区范各庄奥陶系灰岩矿露头区域开展了单孔反射测量；吉林大学的刘四新团队[13-14]在钻孔雷达软硬件及雷达信号的数据解释方面开展了全面深入的研究；ZTR7.2 矿用钻孔雷达[15-16]的成功研发实现了煤矿井下地质构造的精细探测，但钻孔雷达在煤矿井下的探测研究仍相对较少，而在防突领域的研究几乎空白；舒龙勇等[17-18]、朱南南等[19]提出了煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理，并开展了煤与瓦斯突出危险精准辨识的理论方法与技术探索，初步研究了钻孔雷达在突出防治中的应用效果。

因此，基于煤与瓦斯突出的地质结构环境特征，深入开展煤与瓦斯突出危险区超前精细探测技术研究，初步揭示钻孔雷达精细探测的理论依据，深入研究煤岩介质及其破坏区域的钻孔雷达响应特征，并通过现场实践，探索超前精细探测-随钻快速反演相结合的煤与瓦斯突出危险高效精准预测技术体系。

1 煤与瓦斯突出危险区超前精细探测技术

采用钻孔雷达技术对煤矿掘进工作面瓦斯地质异常体进行了超前探测及精准辨识。钻孔雷达是于孔内发射高频电磁波，实现了掘进工作面迎头附近各种大型干扰源的有效规避，具有信噪比高、分辨率高且探测深度大等显著优势。钻孔雷达单孔反射探测时，将雷达的发射接收偶极天线连接固定后放置于探测钻孔中并以缓慢的速度匀速推进自动扫描探测成像，它向钻孔周围360°空间发射高频电磁波，当其遇到非均匀体（界面）时，电磁波会发生反射和折射，根据能量守恒定理，反射波能量等于入射波和折射波的能量之差，上一界面的折射波作为下一界面的入射波，因此，随着电磁波向外的不断传播，受界面不断反射和介质的散射及吸收作用，入射波强度逐渐降低。钻孔周围地质钻孔雷达探测成像示意图如图1。

图1 钻孔周围地质钻孔雷达探测成像示意图Fig.1 Schematic diagram of geological borehole radar detection and imaging around boreholes

反射电磁波的强度受入射波强度和反射系数的共同作用，其反射系数是由介质的相对介电常数决定的。

式中：R 为反射系数；ε1、ε2为围岩和有害地质体的介电常数。

基于反射信号的时域剖面，根据孔壁反射波与异常体反射波的时间差△T，可算出异常体的深度。

式中：H 为异常体深度，m；V 为电磁波在地下介质中的传播速度，m/s。

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，则：

式中：C 为电磁波在大气中的传播速度，3×108m/s；ε 为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

钻孔雷达通过光纤将发射接收天线与主机相连并进行数据采集、存储、显示、处理分析成像。根据钻孔雷达反射信号的时域剖面，并结合反射信号同相轴的畸变形态和缺失位置以及回波信号的双程走时，分析计算出钻孔周围瓦斯地质异常体的类型、规模及距离等关键参数，实现煤与瓦斯突出危险区域的精准辨识。理论和实践表明，100 MHz 的雷达天线可以有效探测钻孔周围10～20 m 范围内的地层信号，因此，能够满足煤矿掘进工作面精细探测的防突需求。

2 煤岩介质钻孔雷达响应特征及差异

为研究煤岩介质及其破坏区域的钻孔雷达信号响应特征，在平煤集团首山一矿，根据现场施工条件选择己15-17 煤层12020 风巷底抽巷借助穿层预抽钻孔开展钻孔雷达精细探测试验。采用JL-RADAR（A）钻孔雷达监测仪分析软件对原始探测数据进行漂移归零、剔除坏道、背景滤波、数字滤波、振幅归一和自动增益等操作，并得到的详细探测结果。地质钻孔雷达探测图如图2。

图2 地质钻孔雷达探测图Fig.2 Detection diagrams of geological borehole radar

图2（a）和图2（b）为不同穿层钻孔的精细探测试验结果，其呈现出相同的钻孔雷达信号响应特征。以图2（b）测试结果为例，其测试深度17 m 左右，现场打钻见岩情况表明，0～9 m 范围为己15-17 煤层的底板岩层，9～14.5 m 范围为己15-17 煤层，14.5～17 m 范围为己15-17 煤层的顶板岩层。

图2（b）中探测结果分为明显的4 块区域：0～2 m、2～9 m、9～14.5 m 和14.5～17 m。图2（b）中沿钻孔轴向0～2 m 岩孔范围内，信号反射强烈，图2（c）给出的钻孔深度1.0 m 处的波列数据表明，钻孔附近较大范围内信号反射较为强烈，原因可能在于受巷道的采掘影响及钻孔的施工扰动该范围内的围岩裂隙较为发育；图2（b）中沿钻孔轴向9～14.5 m 煤孔范围内，信号反射强度次之，对比图2（e）给出的钻孔深度11.8 m 处的波列数据，可以看出，钻孔附近一定范围内存在较为强烈的反射信号，在远离钻孔的区域存在稳定微弱的波动，原因可能在于受钻孔施工和应力集中影响，钻孔周围煤体孔隙裂隙发育，但破坏程度和破坏范围均相对减小，引起局部区域的信号强烈反射，而在远离钻孔的原岩区域，煤体虽未受到应力破坏但其作为多孔介质，孔隙裂隙均有发育，引起微弱且稳定的信号反射；图2（b）中沿钻孔轴向2～9 m 和14.5～17 m 岩孔范围内，反射信号非常微弱，对比图2（d）和图2（f）给出的钻孔深度4.8 m 和15.4 m 处的波列数据，可以看出，仅钻孔附近较小范围内存在较为微弱的反射信号，远离钻孔的原岩区域几乎无反射存在，原因可能在于受钻孔施工和应力集中影响，但岩体较为坚硬，钻孔周围裂隙发育程度和范围更小，引起更小区域内更弱的信号反射，而在远离钻孔的原岩区域，岩体未受应力破坏且较为致密均匀，基本无反射信号。

综上所述，在裂隙发育区，钻孔雷达信号反射强烈，且裂隙越发育，信号反射越强；在完整的多孔介质煤体内存在微弱且稳定的反射信号；在完整的致密均匀岩体内，反射信号微弱，几乎没有。因此，通过反射波振幅可实现对煤岩介质及裂隙发育区的判别。

3 突出危险超前精细探测技术现场应用

3.1 现场概况及测试方案

首山一矿井田位于许昌市襄城县紫云镇西南，平顶山市北东。井田主体构造为轴向320°的宽缓背斜（白石山背斜），地层倾角一般在8°～20°之间，断层较发育。2006 年矿井共发生煤与瓦斯动力现象2次，后期经鉴定首山一矿为煤与瓦斯突出矿井，其中己15-17 煤层为突出煤层，厚度较为稳定，在4.11～6.5 m 之间，平均5.3 m；煤层倾角较为稳定，一般在3°～12°，平均7°。

根据己15-17 煤层的采掘部署及工程试验条件，选择己15-17-12110 机巷作为试验考察地点。在己15-17-12110 机巷掘进面迎头，借助区域验证超前钻孔，开展钻孔雷达超前精细探测试验；另外，借助施工的区域验证钻孔，采用煤层瓦斯含量和压力快速测定仪（CWH200）实现瓦斯含量及瓦斯压力的随钻检测快速反演，同时，采用煤与瓦斯突出参数预测仪（YTC-10）测定突出危险性预测指标K1值和△h2。试验装备及钻孔布置图如图3。

图3 试验装备及钻孔布置图Fig.3 Test equipments and borehole layout

3.2 测试数据效果分析

在12110 机巷掘进面迎头借助区域验证超前钻孔，开展钻孔雷达超前精细探测试验，12110 机巷工作面钻孔雷达探测图如图4。

图4（a）为2020 年8 月8 日0 点班的测试数据，横轴为钻孔深度，38 m 左右；纵轴为探测半径，精准探测距离达到11 m。分析认为：钻孔径向，信号衰减正常，无明显异常反射信号；钻孔轴向，反射信号同相轴连线连续且与钻孔近似平行，无明显异常同相轴存在；整体无明显异常信号，因此，钻孔周围介质均质性相对较好，未见明显构造。

图4（b）为2020 年8 月16 日8 点班的测试结果，探测深度60 m 左右。整体上沿钻孔轴向，反射信号同相轴连线在35 m 以里消失，探测结果分为明显的2 个区域：在钻孔轴向0～35 m 范围内，反射信号分布正常，无地质构造存在。

由图4（c）可以看出，钻孔附近信号反射较为强烈，随着距钻孔距离的逐渐增大，反射信号表现出微弱且平稳的波动特性，其符合多孔介质煤体信号响应特征；而在钻孔轴向35～60 m 范围内，基本无反射信号存在，说明无地质构造存在，钻孔深度59.2 m 处的波列数据表明（图4（d）），仅钻孔附近较小范围内存在微弱的信号反射，而在远处区域几乎无反射信号存在，其符合致密完整岩体的信号反射特征。

图4 12110 机巷工作面钻孔雷达探测图Fig.4 Borehole radar detection diagrams of 12110 machine roadway working face

整体上，掘进面前方60 m 范围内，无异常地质界面存在，但0～35 m 范围和35～60 m 范围内分布着不同属性的介质，结合现场区域验证超前钻孔施工揭露情况，钻孔深度0～35 m 范围为多孔介质煤体，35～60 m 范围内为坚硬致密的岩体。另外，相关研究表明[20]：煤岩介质的剧烈变化部位往往伴随着局部的高应力区和低应力区以及较大梯度的应力分布，同时引起局部的高弹性能聚集区和高瓦斯内能富集区。根据超前精细探测结果，推测钻孔深度30～35 m 范围为突出危险区。

12110 机巷突出危险性指标测试结果如图5。图5 给出了区域验证超前钻孔施工后煤巷掘进的35 m 范围内，即2020 年8 月17 日至2020 年8 月23日，突出预测指标瓦斯压力p、瓦斯含量W、突出危险性预测指标K1值和△h2的随钻测试结果。

图5 12110 机巷突出危险性指标测试结果Fig.5 Test results of outburst risk index of 12110 machine roadway

在2020 年8 月23 日之前，煤层瓦斯含量与压力的快速反演结果以及钻屑瓦斯解吸指标的随钻测定数据稳定波动，均未超过临界值；2020 年8 月23日，在对钻孔雷达探测范围内的30～35 m 煤体进行日常预测时，煤层瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标虽未超过临界值，但均有所增大，瓦斯压力反演数据为0.87 MPa，超过临界值0.74 MPa。因此，随钻检测快速反演结果表明钻孔雷达超前探测的30～35 m范围为煤与瓦斯突出危险区。

瓦斯地质异常体超前精细探测结果和煤层瓦斯参数随钻快速反演数据均表明掘进面前方30～35 m范围为煤与瓦斯突出危险区，因此，矿方应按照《防治煤与瓦斯突出细则》的要求采取局部防突措施，确保采掘作业的人员安全。

4 结 语

1）根据钻孔雷达单孔探测反射信号的时域剖面，分析其反射信号同相轴的畸变形态和缺失位置以及回波信号的双程走时，揭示出钻孔周围瓦斯地质异常体的类型、规模及距离等关键参数，实现煤与瓦斯突出危险区的超前精细探测。

2）在裂隙发育区，钻孔雷达信号反射强烈，且裂隙越发育，反射信号越强；在完整的多孔介质煤体内，存在微弱且稳定的反射信号；而在完整的致密均匀岩体内，反射信号非常微弱，几乎没有。

3）煤与瓦斯突出危险区超前精细探测技术的现场应用实现了掘进面前方介质分布的精细探测，结合煤层瓦斯参数随钻快速反演技术，实现了煤与瓦斯突出危险区的精准辨识，为煤与瓦斯突出的高效精准预测提供了技术支撑和装备保障。