地质雷达探测标志层分析断层带落差的实例研究.pdf

文章编号 1003- 5923200303- 0098- 03 地质雷达探测标志层分析断层带落差的实例研究 刘传孝,蒋金泉,杨永杰 山东科技大学,山东 泰安271019 摘 要准确判定断层特征参数对地下工程的施工与维护具有一定的工程地质意义,对断层带总落差的 明确分析更具实用价值。本文分析了地质雷达方法在一定条件下,通过探测标志层位置进而间接得到复杂断 层带的总落差是可行的,实例证明,地质雷达综合结果的误差仅为5. 6。 关键词地质雷达;标志层;同相轴;断层带;落差 中图分类号 TD325 文献标识码 A 1 前言 断层落差是断层上下盘的垂直错距,采用巷探 等方法沿岩层层位揭露断层面时,若断层面两侧岩 性相同,或因同一岩层厚度很大,均会出现不能准 确判定断层落差的情况。 若通过已知的地下空间垂 直向断层上下盘钻探,必定成本较高、 效率低下,而 且将破坏围岩的整体稳定性。 如果是走向发育基本 一致的一组断层断层带 , 情况将更为复杂。 2 地质雷达工作原理 地质雷达技术是当前国际上最先进的地球物 理勘探手段之一,仪器便携式,具有无损探测特点, 信号恢复技术为程序高次叠加和多波形处理等,适 用于现场。当前主要有美国SIR系列、 日本GEO2 RADAR系列、 加拿大Pulse EKKO系列、 瑞典 RAMAC钻孔雷达系统、 国产LTD系列等 [1]。 地质 雷达图像解释的基础是研究电磁波的传播特性,通 过找寻反射界面来判断得出目的体的几何形状和 物理特征。其板式天线紧贴目的体表面,通过发射 天线向介质中发射高频、 宽频带电磁波,接收天线 接收电磁波遇到介质界面后的反射回波信号,并直 接将该信号数字化后由笔记本电脑收集记录。 每一 测点视时窗大小仅需几秒或十几秒即可完成采集 任务,可以方便的实现连续采集和连续记录,易于 图像解释[2]。 地质雷达记录到的电磁波双程走时及电磁波 的波幅、 同相轴等波形资料反映了反射界面或目的 体的深度位置及几何形态。 介质的电性差异和物性 差异是衡量地质雷达适用与否的重要标准,介质间 的物性差异越大,二者间的界面越易于分辨。从反 射波的连续性特点看,电磁波在正常衰减过程中因 遇到较强的反射界面时其波幅会骤然增加,同相轴 明显,之后恢复正常变化规律。若目的体中存在有 许多杂乱无章的界面,雷达接受到这些界面的反射 回波信号时波幅小、 波形杂乱无章,通过分析同相 轴的不连续性可容易的进行资料解释[3]。 3 断层带总落差的地质雷达间接探测可行性分析 一条断层的特征参数主要包括断层位置、 走 向、 倾向、 倾角、 落差及充填物情况等,落差是其重 要特征参数。在一定深度范围内,只要能获得地质 雷达探测剖面,则断层的位置、 走向、 倾向和倾角可 直接得到。 由于断层面内的充填物成分复杂且厚度 有限,不实际揭露而仅靠雷达探测不可能搞清楚充 填物的详细情况。根据落差的定义,采用地质雷达 方法直接探测得到断层落差同样是不可行的。 地下工程中的常见介质一般为土、 煤、 页岩、 泥 岩、 砂岩和灰岩等,具有较低的电导率,电磁波的能 量衰减比较慢,应用地质雷达可以满足工程中一定 深度内探测精度的要求[4]。 本文所定义的标志层是 指与相邻岩层性质差别较大、 具有一定厚度的岩 层,即标志层上下界面的两侧介质电性质差异较 大,易于地质雷达分辨。 利用地质雷达无损探测、 方 便快捷的特点,一条断层的落差可以通过探寻其上 下盘的标志层位置后分析得出,走向发育基本一致 的断层带的总落差,可以按照对每一条断层落差的 探测分析结论综合得到。 即通过地质雷达的间接探 测分析得到断层带总落差是可行的。 收稿日期 2003- 01- 24 作者简介刘传孝1970 , 副教授,山东郯城人, 1997年于山东科技大学获硕士学位,现山东科技大学资源与环境工程学院在读博士 生,从事工程力学及工程探测方面的科研与教学工作,公开发表学术论文40余篇。 89 2003.№3 矿山压力与顶板管理 4 断层带总落差地质雷达间接探测的实例研究 4. 1 地质概况 张山子煤矿地质条件复杂,煤系地层中断层等 地质构造非常发育。 为了找煤,掘进了大量探煤巷, 效果并不明显,该矿某探煤巷区域当时的地质条件 如图1所示。据已知资料,探煤巷的顶底板中存在 煤4和三灰两个符合地质雷达探测条件的标志层, 适宜用地质雷达进行探测。若判定断层带的总落 差,结合钻探资料提供的煤层标高,可以准确得到 煤层过断层带后的去向,指导实际生产。 图1 探煤巷区域地质条件 4. 2 测站布置 在煤4探巷中设6个测站①79- 18钻孔附 近4 m向底板探测;② 导2点附近12m向底板探 测;③ 探巷水平段开始6. 8 m向底板探测;④ 探 巷水平段中间4 m分别向顶、 底板探测;⑤ 车场附 近20 m向底板探测;⑥ 探巷水平段末6m分别向 顶、 底板探测。 4. 3 断层带总落差雷达探测成果 根据测站布置情况,选用加拿大Pulse EKKO 100型地质雷达,配置50M Hz天线进行探测。数 据采集时选择天线间距1. 0 m ,探测点间距1. 0 m , 电磁波的传播速度取经拟合平均值0. 12 m ns, 时 窗开至1000 ns;数据处理时进行5道平均和3点 平均滤波,进行64次迭加并施以适当增益,最后经 20低通时间滤波共得到8幅雷达记录剖面图。 根 据前述地质雷达图像的解释原则,主要是跟踪电磁 波同相轴的连续性,标明了各测站内标志层的明确 深度位置。雷达图像及其解释结果见图2,根据诸 多断层上下盘中煤4和三灰标志层位置的综合分 析,得到该断层带总落差为15. 0m。 图2 地质雷达记录剖面成果解释图 99矿山压力与顶板管理 2003.№3 表1 钻探及巷探资料分析的标志层层位与雷达探测解释结果比较表 单位 m 标志层 测站一测站二测站三测站四测站五测站六断层带总落差 分析雷达分析雷达分析雷达分析雷达分析雷达分析雷达实际雷达 煤426. 2271010. 5000～126. 555. 81213. 614. 215. 0 三灰43. 254424261717. 54- 1710. 7221943. 6 矿方对该区域进行了有意识的掘进,在地质雷 达探测结论的指导下实际揭露了这组断层,并最终 找到了煤层,断层带揭露情况如图3。据钻探及巷 探资料分析的煤4和三灰层位与雷达探测解释结 果的比较见表1。钻探及巷探资料分析所得的断层 带总落差为14. 2 m ,地质雷达间接探测所得的断 层带总落差 15. 0 m 与之相比较,误差为5. 6。 图3 探煤巷实际揭露断层带示意图 5 主要结论 1标志层界面两侧介质的电性差异和物性 差异是决定地质雷达适用与否的主要标准。 2运用地质雷达方法需要结合一定的钻探 或巷探资料进行综合分析。 3通过地质雷达对适宜标志层位置的探测 分析,可以间接得到复杂断层带的总落差。 4地质雷达对复杂断层带总落差的确定,具 有高效、 准确的特点。应用实例中的误差仅5. 6。 参考文献 [1] 刘传孝,蒋金泉,杨永杰,等.国内外探地雷达技术的比较与 分析[J ].煤炭学报, 2002, 272 123- 127. [2] 刘传孝,杨永杰,蒋金泉.探地雷达技术在采矿工程中的应用 [J ].岩土工程学报, 1998, 6 99- 101. [3] 刘传孝.探地雷达空洞探测机理研究及应用实例分析[J ].岩 石力学与工程学报, 2000, 192 238- 241. [4] 刘传孝.探地雷达方法应用于煤矿井下断层探测[J ].工程地 质学报, 2000, 83 361- 363. 上接第97页 5 结束语 通过上述分析,可以看出,在煤层厚度局部变 化的区域,会发生明显的地应力异常现象,即产生 应力集中现象,煤层局部厚度的不同变化对应力场 的影响规律为 1煤层厚度局部变薄和变厚的影响不同,煤 层厚度局部变薄时,在煤层薄的部分,垂直地应力 会增加,煤层厚度局部变厚时,在煤层厚的部分,垂 直地应力会减小,而在煤层厚的部分两侧的正常厚 度部分,垂直地应力会增加。而且煤层局部变薄和 变厚,产生的应力集中的程度不同,例如,当煤层顶 底板为泥岩时,煤层在10 m的范围内,厚度减小 60时,应力集中系数k 1. 68;而厚度增加75 时,应力集中系数k 1. 05。 2煤层厚度变化越剧烈,应力集中的程度越 高。例如,当煤层顶底板为泥岩时,煤层在10m的 范围内,厚度减小80时,应力集中系数k 2. 27, 厚度减小20时,应力集中系数k 1. 25。 3当煤层变薄时,变薄部分越短,应力集中 系数越大,例如,煤层在10 m的范围内,厚度减小 60时,应力集中系数k 1. 68,在20 m的范围 内,厚度减小60时,应力集中系数k 1. 53。 4煤层厚度局部变化区域应力集中的程度, 与煤层和顶底板的弹性模量差值有关,差值越大, 应力集中程度越高,例如,当煤层顶底板为泥岩时, 煤层在10 m的范围内,厚度减小60时,应力集 中系数k 1. 68,当煤层顶底板为砂岩时,煤层在 10 m的范围内,厚度减小60时,应力集中系数 k 1. 89。 参考文献 [ 1] 赵本钧.冲击矿压及其防治[M ].北京煤炭工业出版社, 1995. [2] 闽长江.煤矿冲击矿压及防治技术[M ].徐州中国矿业大学 出版社, 1998. 001 2003.№3 矿山压力与顶板管理