【Abstract】With the increase of excavation depth，the geological conditions are more complex and the safety management is difficult. Geological radar is used to detect the geological structure of coal mine，based on the application of advanced exploration and ground experiment， and comparison of pre and post detection ， the good effect is gained.
【Keywords】geological structure of mine； geological radar； fault； application effect
【中图分类号】P25 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0180-02
1 现状分析与存在问题
矿井开采存在着各种地质灾害，尤其是矿井的瓦斯、水、应力等灾害，不仅影响煤矿开采的效率，也极大地影响安全生产。巷道在掘进过程中遇到断层、陷落柱、煤岩体结构破碎等不良矿井地质条件时，将会影响巷道掘进施工，同时还可能导致矿井水、瓦斯等灾害的发生，给矿井安全生产带来极大的威胁。煤层中的瓦斯含量与瓦斯压力一方面与煤层的埋藏深度有重要关系，另一方面与煤层的赋存条件和地质构造有关，在断层、褶曲、煤层厚度变化区、火成岩侵入区等地质构造附近，往往易发生煤与瓦斯突出现象。掘进前方是否存在地质异常体，已成为影响掘进生产速度和生产安全的主要因素。
随着矿井开采向深部延伸，地质条件更复杂，安全管理难度大，采掘接替紧张。以往矿井对地质构造探测的主要物探手段有瑞利波探测技术和地震波探测技术，两种仪器在施工效率、经济价值、探测精度上，都不能与矿井当前环境下降本增效、?`活高效的理念相匹配。为提升掘进前方构造异常体探测精度，保证掘进生产速度和安全，结合矿井实际，将探地雷达探测技术运用到矿井下。通过对矿井下掘进巷道超前探测和地面实验的使用，探前探后的对比验证，取得了良好的效果。
2 探地雷达基本原理
探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR，又称地质雷达）方法是一种用于确定地下介质分布的光谱（1MHz～1GHz）电磁技术。在系统主机的控制下，发射机通过天线向围岩内定向发射高频宽带电磁波脉冲[1]。垂直于岩层表面向围岩内传播的电磁波当遇到有电性差异（主要是介电常数、电导率）界面或地质异常体时即发生反射，反射波被天线接收进入接收机，并传到主机，主机对从不同深度返回的各个反射波进行放大、采样、滤波、数字迭加等一系列处理，可在显示器上形成一种类似于地震反射时间剖面的探地雷达连续探测彩色剖面[2]。该剖面的横坐标沿测线方向，表示距离，单位为米，随着距离的不断增加，以等距离间隔扫描反射回一系列的反射波曲线。纵坐标代表时间（单位ns），即表示每条扫描取样反射曲线上各个反射波往返旅行时间（单位t）。在相对介电常数εr给定的情况下，纵坐标就可以通过下式换算为深度r，r =■
式中c/■为介质内雷达波传播速度，工作中介电常数εr，一般通过介质内已知目标深度，求出介质中的雷达波速度，或通过经验数据获得介质中雷达波的传播速度。
数据处理时，首先根据扫射回波的形态、反射强度及其变化在连续剖面上判别目标性质，再根据回波的时间和速度确定目标深度，然后将这些信息绘成剖面成果图。
3 探测成果分析
3.1 任楼煤矿井下探查实验
3.1.1 煤巷超前探测
①第一次探测实验
探测地点：任楼煤矿井下7259机巷 j30点前10m 位置处。测线布置：探测时迎头正前方布置1条测线，选用100MHz天线，从左向右每隔0.2m布置1个测点。
探测成果：迎头前方存在4处异常反射界面，分别为：①迎头前方5.5m有反射波存在，可能为裂隙存在；②迎头前方13m有反射波，可能为裂隙存在；③迎头前方19m有反射波存在，预测为构造裂隙；④迎头前方24m有反射波存在，预测为裂隙存在。
探后验证：除②号异常与巷道实际揭露有偏差外，其他异常与实际揭露较一致。
②第二次探测实验。
探测地点：8230切眼 Q1点前8.3m 位置处。测线布置：探测时迎头正前方布置1条测线，选用100MHz天线，从左向右每隔0.2m布置1个测点。
探测成果：距迎头前方15～20m处（即Q1点前13.3m、23.3～28.3m处），波形相对其周围能量较弱，分析该处可能为构造裂隙影响所致。
探后验证：实际揭露位置图与资料一致。
3.1.2 任楼煤矿岩巷超前探查
①Y24点前23m点探测
探测地点：中六运输大巷Y24点前23m位置处。测线布置：本次探测使用100MHz天线探测，结合探测现场情况，在迎头断面水平方向从左到右做1条测线，每0.2m采一个点共采集21个点。
探测成果：本次探测得到一张成果图，距迎头前方8～9m（Y24点前31～32m）处存在一处较强反射波界面，结合地质资料分析，以上反射界面可能为F2-1∠65°H=9m±断层或伴生构造引起的构造裂隙面影响所致。 探后验证：实际揭露位置图与资料一致。
②Y24点前35.6m探测
探测地点：中六运输大巷Y24点前35.6m位置处。测线布置：本次探测使用100MHz天线探测，结合探测现场情况，在迎头断面做1条测线，竖直方向从上到下做1遍，每0.2m采集1个点。
探测成果：中六运输大巷施工迎头前方存在三处探测异常反射界面，分别为：1号异常段距迎头前方15.5 ～17.5m（Y24点前51.1～53.1m）； 2号异常段距迎头前方21 ～23m（Y24点前56.6～58.6m）；3号异常段距迎头前方25～26m（Y24点前60.6～61.6m）；结合地质资料分析，以上反射界面可能为F2∠58°H=100m±断层引起的伴生构造裂隙或岩层变化分界面影响所致。
钻探验证：巷道钻探控制剖面图，探测结果与实际较吻合。
3.2 地面
探测地点：任楼矿变电所旁人工湖测线布置：本次探测使用100MHz天线探测，结合探测现场情况，在迎头断面做1条测线，每1m测一个点，共做30m，30个测点。探测成果：本次探测图中横坐标在9m～14m之间波形存在明显幅值凸显点，与涵洞实际位置较对应。
4 实施效果
通过以上实验对比现有地质构造超前物理探测技术（瑞利波探测技术、地震波反射法探测技术）对比分析如下：
①精度较高。通过实际揭露验证知，探地雷达大幅提升了探测精度，并且对异常体的具体形状有较直观的表达。
②施工过程效率高。探地雷达相对瑞利波和地震法能大幅减少施工人员，同时也减少了施工时间。
③安全系数更高。不管是瑞利波法还是地震波法都必须要求有震动方能探测前方情况，震动大大加大了片帮、掉矸伤人的危险性，探地雷达方法使用的是电磁波脉冲，对探测迎头不产生任何破坏，增加了一定的安全系数，同时也降低探测后期对巷道维修的成本。
④经济性更强。地震波法超前探，必须在巷道帮部打眼，特别是放炮时，炮药雷管都是一次性使用，费用?^高，放炮可能会对巷道支护及其他现场设施产生破坏。
⑤社会价值更好。地震炮击施工产生大量炮药污染环境，对施工人员健康也不利，探地雷达采用高频宽带电磁波脉冲相对清洁。
5 不足之处
地质雷达超前探测地质构造技术在我国煤矿生产过程中已经得到了广泛的应用，并且取得了长足的发展，但是地质雷达也有其局限性[3]，在以下五个方面有待于进一步提高：①探测距离与分辨率的矛盾无法克服；②多次波及其他杂波干扰严重，原始记录的信噪比低，有效波的识别及其成果解译十分困难；③所获得的被探测对象的空间信息量太少，其资料成果的解释往往存在多解性；④煤矿探测现场条件对探测精度影响较大；⑤在部分介质中能量损耗较快，探测距离变短。
6 结语
目前，该技术已在矿井较好的应用，探地雷达较高探测分辨率和高工作效率的特点，逐渐成为矿井地质构造探查的一种重要手段。
