防爆礦井地質雷達儀KDL價格

❶ 彭蘇萍的科研獲獎

2004年，獲孫越崎能源大獎、光華工程科技青年獎。
（一）國家級獎
1 2002年度國家科技進步二等獎：《煤礦高分辨三維地震勘探技術體系及其在煤炭工業中的應用》，獲獎證書編號：J210-2-04-R01
2 1999年度國家科技進步二等獎：《煤層頂板穩定性地質預測技術與方法》，獲獎證書編號：04-2-007-01
3 2011年度國家科學技術進步獎二等獎：《中國中高煤階煤層氣地質理論、關鍵技術與工業化應用 》
(二） 省部級獎
1 2001年度煤炭科技進步特等獎：《煤礦高分辨三維地震勘探技術體系及其在煤炭工業中的應用》，2006-4-18獲獎證書編號：2001-T01-R01
2 1998年度煤炭科技進步二等獎：《煤層頂板穩定性地質預測技術與方法》，獲獎證書編號：98-2-03-01
3 1999年度煤炭科技進步二等獎：《應用三維地震信息和地質預測技術對煤層頂板控制與管理的研究》，獲獎證書編號：99-2-02-01
4 2000年度中國高校科學技術（推廣類）二等獎：《三維地震信息和地質預測技術用於煤層頂板控制與管理》，獲獎證書編號：2000-232
5 2002年度軍隊科技進步獎二等獎：《復雜地質條件下戰略導彈陣地圍岩探測技術及控制對策》，獲獎證書編號：
6 2011年度中國煤炭工業協會科學技術獎一等獎：《大傾角煤層地震成像、煤厚預測及陷落柱探測研究》
7 2012年度中國煤炭工業協會科學技術獎二等獎：《淺埋深礦井復雜地質構造綜合物探技術 》
獲專利和軟體版權情況：
1. 2002年度發明專利：《 防爆地質雷達採集系統》，01109040.5（公布號）
2. 2001年度發明專利：《地質雷達防爆天線外殼》，99107711.3（公布號）
3. 2002年度發明專利：《智能三分量地震檢波器》，02116297.2（申請號）
4. 2002年度發明專利：《多波多分量地震數據採集系統》,02124275.5（申請號）
5. 2002年度實用新型專利：《地質雷達碟型天線屏蔽罩》，03200054.5
6. 2002年度軟體著作權：《地質雷達處理分析系統》，005408
7. 2002年度軟體著作權：《三維地震解釋系統（微機版）》，200310097
榮譽稱號
1997年，入選煤炭工業部學術帶頭人；2002年，獲全國優秀博士論文指導教師稱號；
2005年，領導的團隊被評為教育部首批優秀研究團隊；
2006年，被評為 「國家653工程」煤炭地質與測繪領域首席專家；
2007年，當選中國工程院院士（為該學部最年輕的院士）。

❷ 坑道物探

坑道物探，是指把接收感測器置於坑道中採集有關物理量數據，從而獲得坑道周圍隱伏探測目標有用信息的各種物探方法。

這里所說「坑道」，包括礦井、巷道、隧道、硐室、洞穴等一切可以容人進入活動的地下空間。和前節井中物探的主要區別是，在坑道物探數據採集過程中，整個數據採集系統和操作人員可以進入坑道作業。

（一）應用發展

坑道物探最主要的應用領域是煤炭勘查，特別是在煤礦開采階段。顯然，這是因為多數煤礦的井下開采方式最需要也最有利於坑道物探工作的開展，也因此我國物探工作者又常把坑道物探稱為「礦井物探」。在煤礦井下，坑道物探可有效地以較高精度探測巷道兩側、頂底板上下、掘進頭（掌子面）前方以及巷道間的煤層及其他地質小構造，如煤層賦存狀態、厚度變化、夾矸分布、斷層、陷落柱、沖刷帶、破碎帶、軟弱帶、溶洞、老窯等，為煤炭開采特別是綜采機采作業及安全生產提供重要資料。國外煤炭領域坑道物探應用始於20世紀60年代初，並迅速在各產煤國家得到發展。我國煤礦坑道物探起步較晚。1974年和1977年煤炭部門科研單位和有關院校、工廠、礦山合作先後開始了坑道電磁波法和槽波地震法試驗。20世紀80年代在推廣這些方法的同時又相繼開發使用了礦井直流和音頻電法、礦井地質雷達、礦井反射和瑞利波地震等方法^[1～11]。20世紀90年代，又開發了接收井下天然電磁輻射和聲發射異常預測煤與瓦斯突出的技術^[12,13]。坑道物探方法在我全國上百個局礦單位獲得廣泛應用。一些礦務局已明文規定，綜采機采工作面地質說明書必須有坑道電磁波法等資料方可批准投產^[3,10]。

20世紀80年代末以來，我國在某些銅、鎳、錫、金等金屬礦山的采礦巷道中使用物探方法探測巷道外、巷道間或更深部隱伏礦體取得不同程度成效。工作中使用了自然電場、直流電剖面、直流電測深、頻率測深、激發極化、充電、電磁波、彈性波等方法，但工作量尚很有限^[14～17]。

坑道物探在我國一些隧道工程特別是鐵路隧道、公路隧道、大型輸水涵洞及水電站地下廠房施工過程中也有較廣泛應用。其中包括預報掘進掌子面前方可能出現的斷層、破碎帶、含水帶、岩溶、岩脈等異常地質情況，檢測隧道、硐室岩壁穩定性及人工襯砌質量等。主要使用了淺層地震、聲波、電阻率及探地雷達等方法^[18,19]。

（二）技術進步

原則上，幾乎所有地面物探方法都有可能在坑道中應用。當然，由於坑道的特殊條件，需要在技術上採取某些相應的措施。如採集設備的小型化輕便化及在許多煤礦井下的防爆化，坑道中各種工業設備干擾的防避或消除，坑道空間影響的校正，全空間位場數據的特殊處理解釋方法等等。就具體方法而言，坑道磁法和核法工作與地面工作差別最小。坑道重力法數據的外部校正及處理解釋有自己的特點^[20]。這幾種方法在我國坑道中實際應用不多，僅見有個別煤礦井下微重力測量案例^[21]。下面我們將僅重點涉及在我國得到發展的坑道電法和坑道彈性波法。

1.坑道電法

在我國坑道中曾應用多種電法方法，其中應用較多的是電磁波法和直流（或低頻）電法。

A.坑道電磁波法

坑道電磁波法又常被稱為坑道無線電波透視法。它在我國起步早，應用廣。早在1960年，我地質部門科研單位就自製實驗設備在關門山鉛鋅礦坑道中進行了電磁波透視礦體的試驗^[22]。1967年地質部門工廠小批量生產了DKT型坑道無線電波透視儀。1976年和1978年煤炭部門相繼研製了WKT-J₁型和WKT-J₂型坑道無線電波透視儀，並在短短數年內生產百餘台裝備了數十個局礦單位^[3]。這些儀器使用晶體管電路，表頭讀數，透距較小，不防爆。此後十餘年中，煤炭部門和地質部門又分別先後研製生產了七種型號的坑道無線電波透視儀近二百台。它們由模擬式進展到數字式微機化，頻帶拓寬，頻點增多，功能增強，透距增大（可達350～450m，個別煤層可達600m），安全防爆，並有配套軟體^[10,23]。

坑道電磁波法的數據處理解釋和井中電磁波法類同，井中電磁波法數據處理解釋技術在我國的進展也適用於坑道電磁波法，有些研究成果則明確面對這兩類工作方法^[24～26]。我國物探工作者還就煤礦井下電磁波法實際工作中某些特殊問題，如巷道相對位置的影響，人工導體的干擾，場強衰減與煤層傾角的關系等進行了專門討論^[27,28]。

B.坑道直流及低頻電法

為適應坑道特別是礦山巷道的特殊條件，傳導類的直流或低頻電法採用了各種特殊的電極布設方式，其中包括在同一巷道內不同位置不同方式排列及在相鄰巷道內的不同位置不同方式排列。我國物探工作者給它們賦以層測深、電穿透、電透視等多種名稱。它們可以分別在探測巷道四周或巷道間煤層賦存狀態及其構造，巷道頂板上方、底板下方及迎頭前方異常地質構造等方面發揮優勢作用。我國煤炭部門於20世紀80年代後期開始推廣這種方法，研製生產了多種型號的井下防爆直流電法儀和低頻電法儀，在許多礦山井下應用並在技術上有所發展提高^[29～34]。在有關數據處理解釋研究方面，包括巷道空間影響分析，巷道電法物理及數值模擬，處理解釋軟體研製等，取得了一些實用成果^[35～38]。

C.其他電法

探地雷達在礦井下可用於探測巷道上下左右及掘進前方數十米范圍內的礦體礦層及各種異常地質情況。我國煤炭部門於20世紀70年代中期開始礦井探地雷達的專題研究。針對煤礦井下小型輕便、安全防爆等特殊要求，我煤炭部門科研單位自20世紀80年代中期至20世紀末已先後研製出逐步升級的六種型號KDL系列礦井探地雷達產品，並和有關單位合作研製生產出新的低功耗液晶顯示礦井探地雷達。坑道探地雷達技術已在我國煤礦開采及鐵道、公路隧道施工中日益發揮更多作用^[39]。

20世紀90年代初，我煤炭部門科研單位基於岩石破裂產生電磁輻射的原理，研製了在煤礦巷道掘進過程中連續自動檢測異常天然電磁輻射信號的煤與瓦斯突出危險檢測儀。它能探測採掘工作面前方10～16m距離范圍內危險帶（應力集中區）的方位，初步試驗應用取得較好效果^[12]。

前已提及，其他一些電法，如自然電場法、充電法、激發極化法、頻率測深法等也曾在我國少數礦山巷道中應用。這些工作在技術上和地面工作類同，不必贅述。

2.坑道彈性波法

在我國坑道中使用的彈性波法有面波類的槽波地震法和瑞利波地震法，以及體波類的反射波和透過波地震（或聲波）法。

A.槽波地震法

槽波地震法觀測在煤層（作為在頂底板界面約束下的低速波導）中激發和傳播的導波——通常稱為槽波。它以其具有探測距離遠，精度高，環境適應性強等特點而成為在煤礦井下探測煤層內小構造的一種重要物探方法。國外於20世紀60年代開始槽波地震法的實驗研究，70年代末開始正式應用和得到發展。我煤炭部門各有關單位20世紀70年代末起積極開展了有關研究工作。20世紀80年代先後研製生產了井下用非防爆型和防爆型模擬磁帶式礦井地震儀，並開發了槽波地震專用數據處理軟體。1986年煤炭部門引進了德國SEAMAX數字槽波地震儀和專用軟體，在此基礎上進一步開展了槽波數字地震勘查方法技術的系統研究。我國物探工作者結合物理和數值模擬及現場實際工作結果，在煤層中導波形成理論及槽波傳播特性，數據採集方法及井下施工技術，數據處理解釋方法及軟體等方面取得了若干創新性研究成果，編寫出版了專著^[40～44]。20世紀80年代末我國研製生產並推廣應用了自己的多道遙測數字礦井地震儀^[45]。槽波地震方法在我國各礦務局許多採煤工作面上探測小斷層、陷落柱、沖刷帶等小構造取得了明顯成效。

B.瑞利波地震法

1988～1989年我煤炭部門引進了日本GR-810瑞利波地震儀及穩態瑞利波勘查技術，1991年將它應用於井下煤層殘厚及巷道獨頭前方探測^[5]。隨後煤炭部門科研單位研究開發了瞬態瑞利波技術並研製生產了適用於井下的瑞利波探測儀器。井下瞬變瑞利波法由於具有設備輕便，施工場地小，數據處理解釋相對簡單，成果比較直觀實時等特點，很快在許多煤礦井下推廣應用。在巷道側壁、頂底板及掘進前方探測煤層及小構造取得明顯成效。瑞利波地震法在我國工程隧道掘進前方預測方面也獲有效應用。我國物探工作者在坑道瑞利波地震方法技術及儀器的發展方面，其中包括24位A/D高解析度本安型礦井瑞利波探測儀的研製，多分量瑞利波探測系統的試驗等，也取得若干新的進展^[46～48]。

C.其他彈性波方法

淺層彈性波（地震或聲波）反射法在我國礦山地下巷道及工程隧道中也有較多應用。在煤礦井下較多用於分層採煤過程中測定殘煤厚度。為此，我煤炭部門研製生產了數種型號被稱為「底煤厚度測定儀」或「煤層厚度探測儀」的井下淺層地震儀。在工程隧道及硐室施工中較多用於掘進前方地質情況預測，使用方法主要有震源及檢波器沿隧道軸線排列的「坑道垂直地震剖面法」，及可在掘進掌子面上排列的「陸地聲納」法。這兩種在20世紀80年代由我國物探工作者首創的方法在煤礦巷道掌子面前方預測中也有應用^[6,18,19]。

20世紀80年代後期，地下巷道間的彈性波層成像方法在我國一些金屬礦及煤礦井下得到應用。這些工作主要觀測透過波的初至走時並使用射線層析處理解釋方法^[14,16,50]。顯然，前面「井中物探」一節中我國在彈性波層析成像處理解釋技術方面的進展也可用於坑道彈性波法。

近年我國物探工作者利用岩石在應力集中突發性破裂過程中的聲發射現象，研製出多道非接觸式聲發射實時監測預報系統及有關軟體，用於預測預報煤礦井下煤與瓦斯突出，並解決了不均勻介質條件下小尺度聲發射源的定位問題。現場試驗初步取得良好效果^[13]。

（三）總的評價

我國作為一個世界性煤炭生產大國，隨著機采綜采作業的普遍應用，對坑道物探工作的需求日益迫切。大規模基礎建設中日益增多的大型復雜隧道及其他地下工程也提出了這種需求。我國物探工作者及有關單位對坑道物探的發展給予了充分重視，在有關方法技術的研究開發，專用儀器的研製生產，以及積極推廣應用方面做了大量工作，取得良好成效。總的可以認為，我國坑道物探技術和應用已躋身世界先進水平行列。隨著我國危機礦山的增多，有必要進一步加強在各處老礦山特別是老金屬礦山井下找尋礦井周邊及深部隱伏礦體的坑道物探工作，並進一步發展提高有關技術。

❸ 探測與監測

一、礦井物探技術應用

隨著礦井開采深度的增加和開采強度的加大，煤層底板突水的頻率也日益增加，焦作礦區除了加強水文地質預測預報及井下鑽探工作外，還大力開展了物探技術的推廣與應用，先後引進了礦井直流電法儀、無線電波坑透儀、瑞雷波儀、音頻電透儀、加拿大GEONICS公司TEM47瞬變電磁儀、地質雷達和超低頻遙感地質探測儀，應用效果非常顯著。這里主要研究的是礦井物探技術在防治水方面的應用，另外介紹了超低頻遙感地質探測儀的應用，它和其他物探儀器原理差別較大。

礦井物探技術在礦井防治水方面主要用於探測工作面頂、底板含水層貧富水區域劃分；巷道頂底板及側幫構造帶和富水區；巷道掘進頭前方構造帶和富水區；放水孔或底板注漿孔孔位確定；工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶位置；煤層厚度快速探測等。以下就各類物探技術的特點和應用效果加以綜述。

1.直流電法

礦井下通常應用三極測深法和對稱四極測深法。根據探測目的不同，直流電法工作裝置形式有多種形式。三極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B（∞），四極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B。兩種方法M、N均為測量電極，用於探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值；A、B均為供電電極，用於向岩層供電。直流電法一般供電極距越長，供電電場分布范圍越廣，探測深度和兩邊輻射范圍越大。通過對不同地點、不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到研究岩層、礦體或構造等的目的。

直流電法探測是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入穩定電流，觀測大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。

直流電法具有方法靈活、理論成熟、抗干擾能力強、儀器簡便的優點，可用於劃分岩層貧富水區域、探測巷道附近構造破碎帶位置、工作面採煤時的易煤層底板突水地段或確定放水孔孔位等。以下為幾個探測實例。

圖3-23為焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖。直流電法探測結果認為，該工作面切巷往外0～100m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。在生產工程中，實際採煤時到65m處底板發生煤層底板突水，煤層底板突水量達160m³/h。對此及時進行了預測預報，礦井提前採取了防治水措施，該工作面得以安全採煤。該工作面切巷向外0～220m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。通過對地質資料分析也認為，此段L₈灰岩可能與下伏L₂灰岩甚至O₂灰岩導通，煤層底板突水水源補給充分。井下數據採集重復了3次，結果雷同，因此建議此段跳采。焦作煤業集團公司有關領導研究直流電法探測結果後，決定在220m處重開切巷向外採煤，目前已按新方案安全採煤。

圖3-23 焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖

該圖中較深藍色代表低阻區，可以看出低阻區距巷道底板距離較遠，L₈灰岩含水層導高較小。直流電法探測結果認為，該工作面採煤時煤層底板不會發生煤層底板突水災害。實際生產過程中採煤非常順利，證明直流電法探測結果是正確的。

圖3-24 焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖

圖3-24為焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖。根據直流電法探測結果，在該工作面低阻異常中心區域布置了4^＃放水孔，鑽孔涌水量為82m³/h。

2.無線電波坑透

無線電波坑透儀可以探測工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶等異常體，從而為工作面採煤設計提供依據。無線電波坑透技術的原理主要如下：將發射機和接收機分別放置於採煤工作面兩條相對巷道（運輸巷和回風巷）中，利用發射機發出的無線電波在煤層中傳播時被與煤層電性不同的地質體如斷層、陷落柱、夾矸或其他地質體等吸收，造成衰減系數的差異，從而形成接收信號的陰影區。交替變換發射機和接收機的位置，就可以對陰影區進行交會，從而確定異常體位置和大小。

圖3-25為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，工作面切巷到回風巷43號測點和運輸巷41號測點連線處圈定區域為異常區，結合地質資料分析為薄煤帶。經鑽探驗證確實為薄煤帶，因此根據無線電波坑透探測結果，改變原來設計方案，在回風巷39號點和運輸巷40號點連線處（圖中紅線）重開切巷，再開始生產。

圖3-25 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖

圖3-26為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，圈定的回風巷裡段斷層位置與工作面採煤時實際揭露情況完全吻合。

圖3-26 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖

3.瑞雷波

瑞雷波技術探測優點是快速，全方位，施工靈活，定位誤差小。瑞雷波技術探測的原理主要如下：根據不同頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分（反映不同深度，高頻反映淺，低頻反映深）瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤層和頂、底板岩層及其中的斷層、喀斯特等地質異常體。

圖3-27為焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖。在巷道迎頭瑞雷波技術超前探測時，發現前方20.78～25.28m段為斷裂破碎區，實際鑽探證實為20.35m見斷層，誤差僅為0.43m。

圖3-27 焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖

4.音頻電透

音頻電透視技術是根據CT掃描工作原理，利用兩條相對巷道（如工作面回風巷和運輸巷）交替進行發射和接收，記錄發射電流和接收的一次場電位差，結合工作面幾何參數（寬度、長度等位置關系）計算出每個發射點對應的每個接收點的視電導率值（視電阻率值的倒數），通過多重交會，繪制出工作面內部一定深度范圍內岩層視電導率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內富、導水區域平面分布的位置與特徵。音頻電透視技術是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入音頻范圍內的低頻電流，觀察大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。一般情況下，工作頻率為15Hz時，探測深度大約為工作面寬度的一半，選用的工作頻率越低則電場穿透深度越大。

圖3-28為焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖。音頻電透探測結果認為，該圖中藍線視電導率值為6所圈藍色區域為煤層底板相對富水區，應為煤層底板注漿改造重點區域，需要加密鑽孔；其他區域可少布鑽孔；工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外可以不進行煤層底板注漿改造。實際在煤層底板注漿改造時，布置在高導異常區內的鑽孔平均出水量為86.3m³/h，低導正常區內鑽孔平均出水量是37.5m³/h，前者水量是後者的2倍多。工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外段打了4個鑽孔，平均水量是8.6m³/h，為相對不富水區。鑽探證實揭露情況與音頻電透探測結果相吻合。

圖3-28 焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖

5.瞬變電磁

瞬變電磁儀具有布置靈活、探測方向性強、對低阻區敏感、施工快速的優點，可以全方位探測巷道各個方向或工作面內部的相對富水區位置及形態、頂底板構造破碎區，確定工作面採煤時容易發生煤層底板突水地段、煤層底板注漿改造重點注意區域、放水孔位置等。

圖3-29瞬變電磁技術原理圖可以說明，瞬變電磁技術原理是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，當脈沖結束、發射回線中電流突然斷開後，地下介質中就要激勵起感應渦流場，以維持在斷開電流以前存在的磁場，此二次渦流場呈多個層殼的環帶型，隨著時間的延長，由發射回線附近介質逐步向下及向外擴展，不同時間到達不同深度和范圍。二次渦流場僅僅與地下介質的電性有關，因此利用線圈或接地電極觀測二次場即可了解地下介質的電阻率分布情況，從而達到探測目標體的目的。

圖3-29 瞬變電磁技術原理圖

圖3-30為焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖。在煤層底板L₈灰岩中開拓疏水巷時，在迎頭處利用瞬變電磁法，超前探測到迎頭前方33～42m段為相對低阻區，該方法判斷為相對富水區並得到鑽探證實。

圖3-31為焦作礦區瞬變電磁視電阻率斷面圖。利用該方法探測到巷道底板存在隱伏斷裂構造。通過在此布置放水孔，鑽孔涌水量為60m³/h此隱伏斷裂的含水性得到了證實。

圖3-30 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖

圖3-31 瞬變電磁視電阻率斷面圖

圖3-32焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖。在某運輸巷向下幫側（平行岩層傾向）探測距離110m處有無平行運輸巷走向、斷距為25m的斷層（該斷層為原地質勘探報告推斷結論），利用該方法否定了此處該斷層的存在（110m處為相對高阻），並得到鑽探證實。

圖3-32 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖

圖3-33焦作礦區某工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖。該圖為某工作面運輸巷瞬變電磁45°斜下方探測結果。探測時0～430m段已經完成煤層底板注漿改造，大部分區域顯示為相對高阻，但0～100m段下部阻值不高，認為是注漿改造效果差，需補打少量鑽孔；460～590m段因尚未注漿改造，顯示為相對低阻區，為煤層底板注漿改造重點區域。

圖3-33 焦作礦區某工作面運輸巷瞬變電磁視電阻率斷面圖

6.地質雷達

地質雷達是在礦井井下利用電磁波的傳播時間來確定所需探測反射體（斷層、陷落柱、喀斯特等地質異常體）的距離，它是礦井井下用於超前探測的有力工具。

7.超低頻遙感地質探測儀

北京大學課題組在國家863計劃資助下，研製了超低頻遙感地質探測儀，並於2002年5月成功申請專利，該裝置在石油天然氣勘探和水文工程地質勘探領域獲得較好應用。在煤田瓦斯方面，課題組研究成員已經在河南伊川鄭煤集團公司暴雨山煤礦和登封金嶺煤礦，進行了超低頻遙感地質探測試驗，探測曲線解釋基本正確，反映明顯，具有推廣應用價值。之後在鄭煤集團公司大平礦、超化礦進行超低頻遙感地質探測試驗。目前在鄭州礦區和將在焦作礦區應用。

8.綜合應用評述

直流電法技術主要用於劃分岩層貧富水區域，探測巷道附近構造破碎帶位置，工作面採煤時的易突水地段或確定放水孔孔位等。該方法優點是儀器簡便、理論成熟、抗干擾能力強、方法靈活；缺點是井下數據採集時必須保證電極接地條件良好，體積效應影響資料解釋時對異常區具體方位的准確判斷。

無線電波坑透技術主要用於探測工作面內部陷落柱形態，隱伏斷層構造帶位置，富水性區域，夾矸和薄煤帶等地質異常體。該儀器優點是儀器簡便，對異常區定位效果好，施工快速；缺點是同象異質現象明顯，井下數據採集時需斷開測區內電纜，避免電磁干擾，資料解釋時對異常區的定性判斷仍需與地質資料結合。

瑞雷波技術主要用於全方位探測巷道附近的喀斯特、岩層界面及斷層帶、富水區、裂隙發育區等地質異常體。該儀器優點是全方位、快速、定位誤差小、施工靈活；缺點是資料解釋時「定量」易而定性難，較易引起多解性，井下工作時需多次重復探測，提高結果的可靠性，探測深度較淺，一般不超過40m。

音頻電透技術主要用於探測整個工作面富水性的橫向變化情況和頂、底板岩層岩性。該方法優點是井下抗干擾能力較強，儀器精度高；缺點是資料解釋時對異常區的縱深位置不易准確判斷。

瞬變電磁技術主要用於全方位探測巷道各方向或工作面內部的頂底板相對富水區位置及形態、構造破碎區，確定工作面採煤時的易突水地段或放水孔位置，劃定煤層底板注漿改造重點區域等。該方法優點是適用於各種角度和方位探測，探測方向性強，對低阻區敏感，布置靈活，施工高效；缺點是井下工作時需注意盡量避開大的金屬干擾體，在某些理論問題上需要進一步研究。

礦井地質雷達探測技術的最大優點，既是礦井井下超前探測（探距30～40m）的有力工具，又具有施工點面積小，垂直、水平方向探測均可，探測的精度也比較高；缺點是抗干擾差。

物探技術經過幾十年發展，呈現出應用廣泛、技術豐富、儀器多樣的特點，但各種儀器和技術方法都有自己的適用范圍和優缺點。焦煤集團公司在多年推廣應用上述各種物探技術的實踐中，深感應充分了解各種物探儀器和技術的特點，針對性地使用的重要性。

總之，實際應用時應盡可能採用綜合物探手段，優缺互補，相互取長補短，多種方法並用，對目標體做出正確判斷，盡可能消除多解性，這樣才能滿足礦井生產多方面的需求，使得物探工作快速准確向著定性又定量的方向發展。應當指出，礦井物探技術的發展是幾十年來焦作礦區防治水工作者們積極探索的結果，這和前輩們與地測處防治水中心同行們的集體努力分不開。作者參加了部分實驗與研究工作。

二、焦作礦區井下水位監測系統

隨著礦井水平的延伸和采區的推進，目前大量的水文觀測孔被破壞，部分觀測孔因長期銹蝕而失去觀測價值，使一些生產地區沒有地下水水位資料，直接影響著這些地區的安全生產。往往花費幾十萬元施工的水文觀測孔，僅投入使用1～2個月就被破壞。如果在地面施工水文觀測孔，不僅需花費高額的資金，而且地面觀測孔容易遭受人為破壞。因此，建立井下水位監測系統已成為當務之急。

焦作煤業集團公司採取了許多行之有效的防治水措施，其中地下水位觀測系統的建立就是有效的防治水措施之一。地下水位觀測系統為工程技術人員及時准確地掌握地下水水位變化情況，制訂切實可行的防治水措施提供了依據。特別是當煤層底板突水發生後，地下水位動態變化能為准確判斷煤層底板突水水源，預測煤層底板突水水量的變化趨勢，採取相應的防治水措施提供依據。焦作礦區積極開展防治水工作，通過各種途徑同煤層底板突水災害作斗爭，到目前為止，已連續20年未發生淹井事故，礦井涌水量也由過去的650m³/min減少至目前的280m³/min。

1.水位監測系統

（1）水位監測系統在焦作礦區的發展歷史：20世紀80年代中、後期，焦作礦區就開始建立地面水文觀測孔水位遙測監測系統，但儀器供電電源為電池供電，沒有及時更換電池，而使儀器損壞。另外，野外遙測系統也容易遭受破壞。不易保護。因此，該系統沒有得到推廣應用。

20世紀90年代，因地面觀測孔的急劇減少，又缺乏資金在地面施工水文觀測孔，為滿足安全生產的需要，就在井下施工放水測壓孔，以了解地下水位的動態變化。水位的觀測部分礦井使用壓力表，另一部分礦井使用水位自動記錄。水位自動記錄儀雖然比用壓力表觀測井下水位先進得多，但水位自動記錄儀供電電源為充電電池，數據的存儲模塊必須上井後才能傳輸到微機，才能輸出水位數據，使用起來不方便，且使用壽命短。

21世紀初期，隨著信息技術迅猛發展，現代感測技術的日趨成熟，採用先進的自動監測方法已是大勢所趨。焦煤集團公司與煤科總院撫順分院合作，於2001年成功地在演馬庄礦建立起一套井下水位監測系統，該系統將計算機測控技術、計算機網路技術、遠程數據通信技術融為一體，強有力地實現了遠距離的井下水位數據採集、傳輸、實時數據集中監測、處理。該系統克服了以前水位監測系統的缺點，供電電源採用井下防爆供電電源，實現了全自動實時對井下水位進行監測，具有投資少，精度高，使用壽命長，操作方便的優點。

（2）水位監測系統組成及主要功能：系統由主站（地面監測中心站）和N個分站（井下水壓觀測站點）構成。

主站：由計算機、列印機、遠程數據通信設備及系統應用軟體（含系統控制、數據通訊、數據處理等），設在地面監測中心機房。

主站是通過遠程數據通信設備對井下分站進行遠程式控制制，實時獲取井下各觀測點的水壓數據，同步監測井下各水壓觀測點的水壓變化情況。並通過系統應用軟體將水壓數據進行整理、輯錄、顯示。根據需要利用系統應用軟體生成相關數據報表、繪制各類曲線、圖形、列印輸出等，同時還可以在網上，將相關數據傳輸。

分站：由高精度水壓感測器（或高精度壓力變送器）、數據採集器、數據通訊介面、遠程數據通信裝置、防爆電源、安全保護罩等組成。安裝在井下水壓觀測點。

分站完成水壓數據採集，實現水壓數據的遠距離傳輸。分站系統是通過壓力感測器反映水壓變化的物理量轉換為電壓（電流）形式的模擬量。該模擬量經由放大、模數轉換電路處理後再將其轉換為數字信號，通過數據採集器內置計算機系統對該數字信號進行處理並記錄到存儲器中，完成數據採集。與此同時數據採集器內置遠程通信介面設備也在不斷檢測主站信息。當檢測到主站要求發送數據指令信息時則由數據採集器內置計算機控制，通過遠程數據通信設備將數據採集器記錄的水壓數據發送至主站。

（3）系統主要技術指標

主站：硬體配置：intel P4 2.53 G/256 M DDR/80 G/16 倍 DVD/17 英寸液晶/56 K/100 M/A3幅面激光及彩色噴墨列印機；系統運行環境：Windows98 se/windows Me/win dows2000/windows XP；操作方式：全中文菜單式；觀測方式：實時監測；數據記錄方式：自動、手動任選；測量時間間隔：任意設置；暫存數據：≥1000組。

分站：防爆類型：本質安全型；壓力測量范圍：0～10MPa；感測器精度：±0.3%F·S；解析度：2.0cm；通訊距離：＞500m；傳輸速率：＞300pbS；分站個數：1～255（255Max）；環境溫度：0～+40℃。

2.井下水位監測系統使用情況

焦作礦區演馬庄礦於2001年12月建立了井下水位監測系統，由於資金等原因，當時僅設立了兩個分站，即在該礦25采區下山施工兩個測壓孔（L₈灰岩含水層），安裝SY1151壓力感測器，SY-1型數據採集器，數據通訊口，防爆電源。水壓數據經通訊電纜傳輸到地面主站，再根據用戶的需要，利用系統應用軟體生成相關數據報表（如日報、月報、年報），繪制各類曲線、圖形（如月曲線圖、月柱狀圖、年曲線圖、年柱狀圖），對水位進行實時監測。通過近幾年的使用，井下水位監測系統具有投資低、操作方便、數據准確可靠，使用壽命長等優點，克服了過去地面觀測孔測水位難，數據不準確，觀測孔易遭破壞等缺點。即使發生淹井事故，井下無供電電源，系統亦能利用本身電池正常工作一個月。2002年5月10日，井下水位監測系統顯示L₈灰岩含水層水位下降，就立即與井下聯系，得知25031工作面煤層底板突水，根據井下水位監測系統顯示的水位平穩下降趨勢，且沒有發現L₈灰岩含水層水位有反彈現象，判斷該煤層底板突水點水源為L₈灰岩，煤層底板突水點涌水量不會急劇增大，對安全生產不會造成大的影響。由此可見，井下水位監測系統能了解地下水位的動態變化，為判斷煤層底板突水水源，採取相應的防治水措施提供依據。

該系統於2003年底已建成投入使用，井下的水文孔資料直接在各礦計算機上顯示。目前焦作煤業集團公司和北京龍軟公司合作，將各礦與集團公司網路聯系起來，只要在集團公司的任何一部上網計算機上，進入水文監測系統網站，就能查閱到各生產礦井下各含水層的水位資料。目前正在進入試運行階段。

可以認為井水位監測系統是一項經實踐證明了的成熟技術。井下水位監測系統具有投資少、操作方便、數據准確可靠、使用壽命長等優點，能夠代替地面水文觀測網。井下水位監測系統具有推廣應用前景。探測和監測技術是高承壓水上採煤水害綜合控制技術的重要組成部分。

❹ 　探地雷達（GPR）

探地雷達是一種既古老而又年輕的物探技術，90年代以後才在我國得到較多的應用。

早在90多年以前，國外就曾利用該技術作過不可見目標的探測試驗，但是直到70年代美國地球物理勘查設備公司（GSSI）才第一次研製成功SIR探地雷達系列，並取得一批實用成果。由於GPR技術具有其他物探方法無與倫比的淺層高解析度的特點，20多年來該項技術已取得長足的進展。儀器不斷更新換代，資料採集、處理、顯示和解釋方法不斷革新，應用領域不斷擴大。目前，GPR技術已成為地質調查的一種重要技術。

一、基本原理簡介

GPR技術是一種高頻（10～1000MHz）電磁技術。但是，它的工作方法卻與地震相似。通過GPR天線向地質體內發射一短脈沖信號。信號在地質體內的傳播主要取決於地質材料的電特性。當這種電特性發生變化時，GPR信號將發生反射、折射等現象。利用放置在相應位置上的接受器將信號接受下來，經放大、數字化處理和顯示，為解釋提供必要的數據和圖像。除人們熟悉的反射工作方式外，GPR還有多種工作方式，如共中心點、廣角反射、折射和透射等。各種方式都可以用於探測信號在地下的傳播速度和能量衰減。影響GPR探測深度的因素主要有雷達系統的本身性能（如頻率、能量等），被探測材料的物理特性。

二、儀器的發展

1.國外的主要進展

（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷達系列代表了首批可在商業上使用的儀器系統。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷達系列。80年代中期，A-Cubed公司與加拿大地調所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO數字雷達；瑞典地質公司及日本公司等還研製了可用於跨孔測量的孔中透視雷達系列。

（2）90年代以後，GPR儀器又有了一些新發展，相繼推出了多態雷達系統、層析雷達系統。三維雷達技術具有明顯提高解決淺層地質問題的能力，但卻因耗時費力得不到普遍的應用。為此，Frank Lehman等研製出全自動的組合地質雷達激光經緯儀系統。利用該系統，一人可在2h內完成25m×25m范圍的三維數據採集。三個方向上的定位精度為±2.5cm。數據處理、成圖可在1h內完成，比傳統方法的效率提高5～10倍。

（3）儀器輕便、結實、通用是儀器廠商和用戶追求的目標之一。為實現該目標，1998和1999年加拿大的SSI公司先後推出了NogGin250、500型GPR儀器，將該公司生產的Pulse EKKO系統的全部雷達功能壓縮在一個簡單的NogGin輕便儀器箱內。但該儀器不僅是對原儀器進行簡單的壓縮，而是從基本設計原理上進行了改進。將NogGin與該公司研製的軟體「SPIView」配合使用，用戶則可以通過簡單的操作在無限卷圖上查看數據圖像。

2.國內的進展

90年代我國引進了一批地質雷達儀器並將它們用於工程和災害地質調查。近年來，國內地質雷達儀器的研製也取得了較大的進展。煤炭科學院西安分院物探所研製成功了適用於礦山防爆要求的DVL防爆型礦井雷達系列。原電子工業部第二十二研究所相繼研究成功了LT-1,2,3型探地雷達。航天工業總公司愛迪爾國際探測技術公司推出了商品化的探地雷達系列產品。國內外生產的多種類型的GPR儀器，一般都具有較好的性能，可供不同探測目標選用。

三、資料採集、處理和顯示技術的進展

（1）90年代初，GPR資料由單點採集過渡到連續採集，使GPR技術的應用向前邁進了一大步。

（2）地震資料處理的方式基本適用於GPR資料的處理。為了更好地將石油地震的先進技術引進到GPR領域，一些公司之間開展了合作。比如，1990年後SSI公司與地震圖像軟體公司（SISL）達成協議，SSI公司按地震資料輸出格式設計Pulse EKKO探地雷達系統，將SISL公司開發的地震資料處理軟體用於GPR資料的處理。這些軟體包括各類濾波、反褶積及資料顯示等。

（3）近幾年來，國內外專家對各類模擬方法作了研究，如How-Wei Chen等利用時間域交叉網格有限差分數值法，在二維介質內研究、試驗、補充了數值探地雷達波傳播的模擬。出現了一些利用GPR信號能量衰減層析成像的方法，如應用頻率漂移法的電磁波衰減層析成像法、利用形心頻率下移的雷達衰減成像方法等。

（4）據SSI公司1998年底披露，該公司即將發行改進型的軟體-EKKO三維2型軟體。採用2型三維軟體，用戶可以在方便的條件下試驗下述不同軟體的組合處理，以便提高數據的立體特徵。該三維軟體包括去頻率顫動、雜訊濾波、背景清除、包絡線和偏移。在資料顯示方面，有的學者提出了將石油工業的四維技術用於時空域內採集的GPR資料，這樣就有可能製成流體（如污染物羽狀流）在地下傳播的電影圖像。

（5）透射法取得的資料必須經過處理才能顯示成解釋所需的資料。SSI公司於1997年開發出可用於將GPR透射資料變換成可用於解釋圖像的軟體。實施步驟包括：原始資料編輯和歸類、採集波至、利用美國礦業局的地震層析軟體對資料進行層析成像處理，繪制速度、衰減及波散圖件以及圖像處理等。

（6）針對當前GPR技術的應用研究中，只側重探測能力試驗和數字模擬研究而對GPR資料解釋研究不夠的現狀，雷林源提出了與GPR資料解釋工作有關的基本理論和方法以及一些基本問題的求解。提出的基本問題包括電磁波在地層中傳播的波阻抗；地層分界面上電磁波場強的反射與透射系數；地層中電磁波速度和反射波的相位以及GPR探測深度等。

四、應用及應用研究實例

GPR技術經過多年的發展，證明具有多方面的用途。國內刊物對一些普通的應用已給予了較多的介紹。這些應用包括：在水文地質方面可以用於淺部地下環境調查，土壤-基岩面探測，基岩節理、裂隙和層理的確定；在工程地質勘察方面可用於調查地下埋藏物，隧道、岩溶、建築地基評價，道路、橋梁、水壩探測和質量無損檢測；在災害地質勘察方面可以用於滑坡、隱伏洞穴的探測以及考古方面的用途等。本文謹就GPR在地質環境污染、農業、軍事等方面的應用實例作一簡單的介紹。

1.調查地質環境污染

（1）一座建立在石灰岩地區的硝化纖維廠，由於污水的泄漏導致硝化纖維對地質環境的污染。為了探測地表至潛水面（約60m）岩溶結構可能捕獲的硝化纖維，在18個30米深和7個50m深的鑽孔中作了井中雷達探測。對收集到的資料作常規處理後，採用惠更斯-基爾霍夫（HK）疊加法繪制出三維雷達圖。從深度為10m的重建圖像上可以看出幾個受硝化纖維污染的位置。在後來的開挖中，證示了GPR的探測成果。

（2）探測碳氫污染物試驗。多年來的野外工作和試驗已證明GPR具有調查地質環境污染的能力。國外專家在1m×0.4m×0.5m箱體中作了精心的試驗，試圖再一次驗證GPR探測污染的能力，並用相關模型說明雷達響應與一些水文參數間的關系。通過試驗和GPR數據的處理和解釋得出結論：在污染物達到飽和時，利用GPR探不到潛水面；在相鄰未受污染區可探到潛水面時，GPR可用於監測潛水面上的污染物；小型實驗有助於探測或驗證砂質土壤的水文地質參數，如毛細作用水頭、污染物羽狀流的傳播速度；GPR能成功探測石油污染。

2.農業方面的應用

（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的儲集層，有可能成為灌溉的水源。利用GPR在沙特東部沙漠區作了探測。探測結果劃出了圓頂形沙丘上部與其下部鹽層間的界面、沙丘內的交錯層理及潮濕帶；探測還指出，圓頂沙丘可能是新月形沙丘的演變結果。在另一個沙漠場地的調查成果指出了沙丘內水流傳播的兩條可能途徑。

（2）探測土壤含水量。自然土壤中的含水量是影響介電常數變化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中兩種方式的GPR試驗，證明GPR測量數據與土壤含水量間具有很強的聯系。可以用GPR技術探測土壤中的含水量。

（3）美國正在形成現代化的農業生產，GPR技術被用於探測特殊農業場地的土層、上層滯水、脆盤土、水文優先流徑和壓實土壤等與現代化農業有關的土壤信息。

3.探測古灰岩洞

前幾年已有一些介紹利用GPR技術探測一般洞穴的文章，但未見到探測古灰岩洞及其塌陷特徵的報道。為了配合開發美國得克薩斯州老灰岩洞的地下水，對該區的溶洞系統作了詳細的研究。GPR資料顯示了未擾動的主岩、過渡構造（如張性裂隙、古溶洞壁及洞頂等）和各種規格的角礫岩的分布。本探測成果證明，GPR技術是調查與近表灰岩系統及塌陷古溶洞有關特徵的有效方法。

4.南極永凍場地安全檢查

在一個南極考查計劃利用的場地內，發現地下0.3～0.5m位置的冰內有一些融水坑（據2000年初中央電視台報道，我國南極科考隊也發現了與此相似的冰水湖），它們將給場地的利用帶來負面的影響。為此，利用GPR對場地進行了調查。通過對記錄的繞射波結構及其他信息的分析，在3.5m左右深度發現一些有40m長、含分散水的冰層帶，但含水量較少。另外，根據GPR資料顯示，鹹水層以上各層次的振幅沒出現異常，說明場地下不可能存在其他融水坑。後來經重車和飛行器作了大量荷載試驗，場地沒出現任何與冰密度有關的事故。由此可見，GPR可作為南極冰蓋場地安全檢查的工具。

5.軍事用途

瑞士科學家正在研製一種可用於排除地雷的GPR探測系統。該系統以探地雷達和用於成像的金屬探測器為基礎。探測器可以區別那些與GPR信號相似而金屬含量不同的目標（如同樣大小的地雷和石頭）；而GPR則可以將探測器給出的相似結果（如地雷和金屬垃圾）區分開來。另外，據SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面圖可以發現塑料性地雷。

6.區域水文地質調查

雷達相圖被定義為某一特定地層產生的雷達反射圖像特徵的總和，指的是雷達剖面資料上肉眼可見的反射波的不同組合形式。雷達資料觀測中，地質體的構造和結構特徵會影響雷達響應並產生特徵效應。這些特徵效應被稱為雷達相圖元素。自1990年以來，荷蘭TNO應用地學研究所在荷蘭30多個適合於GPR調查試驗的點上作了測量，用於評價GPR對不同水文地質目標成像和描述目標特徵的可能性。探查成果揭示出荷蘭不同沉積環境下雷達相圖元素的特徵，將具有代表性的反射圖像編成簡要的「雷達相圖集」，該相圖集對確定地下水文地質層序的位置有益。據悉，美國也利用GPR對多個州做了類似的調查。