地质雷达用于探测煤田自燃区的研究

图1　地质雷达工作原理

　　一般原煤具有较高电导率，而自燃区上覆岩层长期受煤层自燃烘烤，含水量小，电导率低，巨大的电性差异可以区分出原煤层与围岩；煤层经过自燃成为部分氧化煤或完全氧化煤，其成分发生巨变，从而引起电性的明显改变，因此，也容易区分完全燃烧煤、部分氧化煤及原煤。

3　研究区概况及野外数据采集
　　研究区位于宁夏某矿区，为一海拔2100 m、地表起伏6～8m的山顶平台，面积为1.5万m²，区内基本无表土、无植被、无强干扰源。区内地表裂缝遍布，最大裂缝开口约2.6 m。因沿露头部分煤层正在燃烧，部分裂缝上方有灼热感。此次研究目的煤层厚约28 m，其中含10 m夹矸，煤质为致密无烟煤；其上覆盖30～35 m厚的致密砂泥岩，不含水；其下为12 m厚的泥岩、砂质泥岩。
　　因勘探深度大，考虑到地下介质对高频电磁波的强烈吸收，采用瑞典RAMAC雷达系统10 MHz低频天线，经已知点校验，得煤层中电磁波速度为150 m/μs，上覆砂泥岩中为130 m/μs。利用文献［2］中的公式得雷达探测的垂直分辨率为3.2 m，水平分辨率为4.0 m，满足精度要求。天线间距为8 m,采样点距0.2 m，每次扫描采样数为900，扫描频率323.06 MHz,时窗为2476.31ns。
　　野外沿煤层走向布置12条测线,沿倾向布置4条测线，测线成网格状分布，剖面总长1271.4m。每条测线上均布置若干测量控制点，以用于地形校正和准确分区。

4　雷达图像分析和研究结果
　　从地质雷达的单道波形来看，原煤区有强反射（图2a），而自燃区则无明显反射界面，波形比较凌乱（图2b）。图3和图4是区内代表性的雷达图像，由于煤层自燃，上覆砂岩逐次塌落，在地面上形成许多垂直裂缝，造成剖面反射波相位的不连续。原煤层一般表现为反射波相位连续，煤厚未受影响。局部有裂缝引起煤层断开；而部分氧化煤(残留煤)表现为串珠状，煤厚减少；完全氧化煤则经过较充分的自燃，剖面上显示仅剩很薄或不清晰的煤层层位。图中原煤层特征明显，而完全氧化煤无明显反射界面，燃残留煤则界于二者之间。在图中可直观清晰的看到煤层和自燃区的分布情况。图3为沿走向方向的雷达图像，图4为沿倾向方向的雷达图像，图中煤层厚度系煤层视厚度。

图2　地质雷达的单道波形

图3　煤层走向方向自燃区雷达探测图像及解释
A—原煤区；B—部分氧化煤；C—完全氧化煤

图4　煤层倾向方向自燃区雷达探测图像及解释
A—原煤区；B—部分氧化煤；C—完全氧化煤

　　在16条测线雷达图像分析的基础上，在研究区可区分出原煤层、部分燃烧区和完全氧化煤，并圈定各区范围，从而探明研究区的煤层自燃区范围，为决策者提供决策依据。

5　结语
　　上述分析表明，采用地质雷达来探测煤田自燃区精度较高，简便易行。根据地质雷达探测的自燃区范围能够圈定煤田自燃区范围，为煤田灭火工作提供准确信息。

作者简介：宋　雷，助教，1998年毕业于长春科技大学，获硕士学位，现在中国矿业大学从事岩土工程研究工作。地址：江苏省徐州市，邮码：221008。
作者单位：宋　雷　黄家会　(中国矿业大学建筑工程学院)
　　　　　南生辉　(煤炭科学研究总院西安分院)

参考文献
　1　朱银昌，候贤文 主编.煤矿安全工程设计.北京：煤炭工业出版社，1995
　2　李大心.探地雷达方法与应用.北京：地质出版社，1994