探地雷达在探测煤矿采空区的应用.pdf

6 能 源 技 术 与 管 理 2 0 0 6年第 4期 探 地 雷 达 在 探 测 煤 矿 采 空 区 的 应 用 张华， 潘冬明 中国矿业大学 ， 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 [ 摘 要 ] 地下采空区的存在对矿山建设和地面建筑物的安全造成 了严重的危 害． 已成为 了一 种典型的地质灾害。 在论述探地雷达的方法、 技术及原理的 同时． 通过探测煤矿采空 区的工程实例表明， 探地雷达在探测采空区的分布范围效果十分显著。 [ 关键词 ] 探地雷达； 采空区； 探测技术 [ 中图分类号]P 6 2 4 [ 文献标识码]B [ 文章编号] 1 6 7 2 _ 9 9 4 3 2 0 0 6 0 4 _ 0 0 0 6 _ 0 3 1 概 述 近年来 ， 由于大量小煤窑的出现 ． 他们越界开 采形成大量不明采空区．破坏了上方建筑物的稳 定性 ， 导致 了房屋 的倾斜 ， 开裂及倒塌 ． 特别是雨 季来临时，地表水通过浅部采空区顺岩层裂隙通 道进人大矿 ， 这对大矿的开采与建设及其危险， 因 此及时准确的探测出不明采空区的分布范围是及 其重要的任务 。 山东某煤矿煤层露头区，分布有大量不明采 空区 ， 近几年来 ， 尽管矿方对这些不明采空区进行 了综合治理， 取得了较明显的地质效果 ． 但在每年 雨季， 矿井总涌水量 比雨季前要增大 2 ～ 4倍 ， 严重 威胁着矿井的安全生产 ． 增加矿井的排水费用。 经 水文地质分析认为 雨季矿井涌水量增大的原因 主要是地表水通过浅部采空区顺煤层和岩层裂隙 发育带及岩溶通道进人矿井。为了对煤层露头区 实施高效综合治理 ，决定对此区域进行探地雷达 探测。 探地雷达探测工作主要地质任务是 圈定煤 层露头煤柱不明采空区的分布情况 ．控制深度在 2 0 ～ 4 0 m． 要求平面偏差不大于 2 ． 5 m． 以便为注 浆提供依据。 2探地雷达原理[ - 探地雷达是利用高频 电磁波 主频为数十兆 赫至数百兆赫 以宽频带短脉冲形式 ． 由地面通过 天线 T送人地下 ，经地下地层或 目的体反射后返 回地面， 为另一天线 R所接收如图 1所示 。脉冲 波旅行时 t x ／ 4 z 2 x g ／ v ．当地下介质中的波速t ， 为已知时 ， 可以根据测到的精确时间 t 值 ． 由上式 可求出反射体的深度 Z 。电磁波在介质中传播时． 其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及 T △ 图 1 探 地 雷 达原 理 图示 几何形态而变化。因此 ，根据接收到波的旅行 时 间 、 幅度与波形资料 ， 可推断介质的结构。雷达 图 形常以脉冲反射波的波形形式记录．波形的正负 峰分别以黑 、 白表示， 或者以灰度或彩色表示。这 样同相轴 以等灰度 、等色线即可形象地表征出地 下反射面。 雷达波形记录示意图如图 2所示 ． 图上 地 双 程 时 间 } 图 2雷达 波形记录示意 图 维普资讯 2 0 0 6年第 4期 张华等探地雷达在探测煤矿采空区的应用 7 对照一个简单的地质模型 ， 画出了波形的记录 ， 在 波形记录图上各测点均以测线 的铅垂方向记录波 形 ． 构成雷达时间剖面。 由于探地雷达发射的电磁 波段常为 1 0 7以上的数量级 。并且探地雷达可对 发射 、 接收电磁波的频率进行控制， 因此资料具有 信噪比高 、 干扰低的特点。 其发射的电磁波段常为 1 0 7以上数量级 。在地层介质中雷达波长一般为 0 ． 1 ～ 2 m．所 以探地雷达在探测浅部地层介质时 。 具有比地震波更高 的分辨率 。而且具有经济 、 高 效 、 非破坏性等优点。 3 地球物理特征[ 煤层采空区是 由煤层被开采后形成 ，由于煤 系地层中煤层与其顶板岩层 的介 电常数存在较大 差异 ， 因而， 煤层 能形成能量较强的雷达反射波 ， 一 旦煤层被开采 ， 这一发射波特征就不存在 ， 现根 据顶板为冒落 、完全 冒落及部分冒落会出现不同 的雷达波反射波形进行讨论 。 1 当采空 区顶板 为冒落时 ， 岩层被破坏 ， 不 仅造成煤层与顶底板的电性差异不复存在 。而且 造成 电磁波的吸收衰减非常严重 ，在雷达剖面上 出现局部反射波中断 ，界面不连续 ，剖面中出现 “ 空 白区” 等异常反映。 2 若煤层开采采用 防柱式开采 ， 则 顶板基 本不 冒落沉陷 。 采空范围内充水 或空气 则能形 成能量强的发射波 。在雷达剖面上表现为采空区 的顶部出现较强的双曲线反射波 ．即类似空洞的 反映 。 3 当煤层开采造成顶板部分冒落 。 垮落破坏 了顶板的完整性及连续性 。从而在雷达剖面上形 成层面错动 。发射波的同相轴明显的错动及不连 续 性 。 由于本次探测的是采空区。 大多数都已塌陷， 所以以第一种情况为主 。它是本次采用探地雷达 的探测采空区的物理前提 。 4 数据 采集 本次雷 达探测采用瑞 典 S G A B公 司生产 的 R A MA C ／ G P R探地雷达 。考虑到浅表地质条件变 化较大 。 且电磁波衰减严重 。 选用两 种频率天线 2 5 MH z和 5 0 MH z 进行试验 。2 5 MH z天线主要 适 用 于探测 5 5 0 m 深度 范 围 内 的地下 介 质 ； 5 0 MH z 天线主要适用于探测 4 ～ 3 0 m深度范围内 的地下介质。试验结果表 明 2 5 MH z天线 明显优 于 5 0 MH z天线 。最终选择 2 5 MHz 天线进行探 测 发射天线与接收天线间距为 4 m。 采样时窗为 2 0 0 0 n s 可 以保证探测深度达 6 0 m ， 时间域采 样间隔为 l n s ， 为了尽可能地分辨地下采空边界 ， 空 间域采样 间隔 道间距 为 0 ． 5 m， 垂叠次数为 1 2 8次 ． 采用反射剖面法进行工作。按要求及场地 情况 总共测量 l 0条测线 ， 其 中纵侧线 4条 ， 横侧 线 6条 ． 线距为 2 0 4 0 m。 如 图 3所示 ， 区域范 围 为 1 5 0 m x 6 0 0 m。 探测时 ， 天线紧贴在地表表面上 移动 ， 每测一个点 ， 移动一次 ， 测点间距为 0 ． 5 m， 测试过程 中， 发射天线 T 向地下连续发射脉 冲电 磁波 ． 遇到岩体界面和采空区界面将产生发射波， 接收天线 R 接收发射波并通过主机记录反射波 传播 的时间 及其振 幅、 相位 、 频率等变化特征 ， 这 样每次接 收到的记录组成 了探 地雷达 时间剖面 图 图 3探测成 果平面示意图 5 资料处 理解 释及工作成 果 5 ． 1 资料处理 对本次探地雷达测量的 l 0条剖面。 采用专用 数据处理软件进行处理 。着重进行振幅恢 复 。 滤 波 ． 反褶积处理 。通过上述数字处理 ， 获得信噪 比 较高的时间剖面 ， 提高 了有用信号 的识别 ， 雷达时 间剖面比较真实全面地反映了地下地层介质的变 化情况 ， 保证了资料质量。 5 ． 2资料解释[ } 4 探地雷达主要利用地下介质的电性差异来进 维普资讯 8 能 源 技 术 与 管 理 2 0 0 6年第 4期 行分层及查明地下异常地质体。通过对全区雷达 时间剖面与已知的地质资料的对比分析，采空区 反射波特征 煤层被开采后 ， 其顶板岩层发生 冒落 和坍塌， 岩性结构发生改变 ， 裂隙发育 ， 这就造成 电磁波出现严重吸收衰减 ，雷达时间剖面上表现 为煤层反射波消失， 雷达波零乱 ， 局部虽有反射波 但其能量极弱， 甚至中断， 这是本次雷达解释的依 据 ， 对本次探测的 1 0条剖面进行重点解释 ． 有 5 处发现采空区的存在 。图 4 、 5分别为全塌陷采空 区雷达探测时间剖面图和部分塌陷采空 区雷达探 测时间剖面图， 圈定的范围为采空区的大概范围。 图 4全塌 陷采空区雷达探 测时间剖面图 图 5部分塌 陷采空区雷达探测时间剖面图 采空区深度计算公式为 玉 式中H一采空区深度 一 电磁波在地下介质中传播的速度 一 电磁波 由表面传至采 空区与围岩分界 面的双程走时。 在图 4 ， 从时间剖面可以看出反射波不连线 ， 出现中断， 甚至出现“ 空 白区” ， 表明此处有一个很 明显的采空 区，采空区的横坐标在第 1 道 6 5道 左右 ， 纵坐标在4 5 0 5 0 0 n s 之间 ， 通过雷达处理软 件可以换算成水平位置距测线起点为 0 3 2 m， 深 度 为 2 7 3 0 m之 间 ， 在图 5的时间剖面上 ， 有 一 段反射波零乱 ， 界面不连续 ． 并且能量极弱 ． 表明 此处也有一处采空区 ． 属于部分塌陷采空区． 范围 为横坐标为第 1 0 0 3道一 1 1 0 1道之间 ．纵坐标 为 5 5 0 - - 6 5 0 n s 之间，水平位置距测线起点 5 l 1 0 0 m． 深度为 3 3 3 9 m之间。 6 结 论 上述雷达探测工作从现场资料采集到资料处 理解释都做了认真细致的工作 ．获得了信噪比较 好的雷达资料和得到了可靠的地质解释成果 ． 并 通过钻孑 L 验证确实探测到了地下采空区的分布范 围， 因此本次探测表明 1 利用 R A MAC探地雷达探测采空区． 效果 理想， 发挥 了探地雷达高频高分辨率的优点。 2 根据探测体与围岩介 电常数差异 ， 采空区 的深度， 大小不 同， 选择不同的天线测试 ， 可 以获 得更理想的探测结果。 结合本次的地质任务， 最终 选择了 2 5 MH z的频率天线。 3 由于雷达探测具有经济 、 高效 、 非破坏性 等优点 ， 并且探测精度高及资料分辨率 高， 因此在 查找采空 区、 空洞 、 岩溶裂隙带必将有广泛的应用 前景。 [ 参 考 文 献] [ 1 ]李大心． 探 地雷达方 法与应用 [ M] ． 北京 地质 出版社， 1 9 9 4 ． [ 2 ]程久龙， 胡克峰． 探地 雷达探测地下 采空 区的研究 [ J ] ． 岩土力学， 2 0 0 4 ， 9 ． [ 3 ] 刘红军， 贾永刚． 探地雷达在探 测地下采空 区范围中的 应用 [ J ] ． 地 质灾 害与环境保护， 1 9 9 9 ， 1 2 ． [ 4 ] 刘敦文， 黄仁东． 高速公路路基 下采空 区探地 雷达探测 [ J ] ． 勘察科 学技术， 2 0 0 0 ， 1 2 ． [ 作者简介 ] 张华 1 9 7 9 一 ， 男， 汉族， 江西宜春人， 2 0 04 年毕业 于中国 矿业大学资源学 院物探专业。 现为 中国矿业 大学 资源 学院 物探专业在读硕士研究 生， 研究方 向为地球探测 与信 息技 术 ． [ 收稿 日期 2 0 0 5 1 2 - 0 2 ] ∞ ∞ 擞 2 5 7 ； ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 瑚 珊 瑚 维普资讯