地质雷达在煤矿井壁结构探测中的实践应用.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 立井井筒是煤矿生产的咽喉工程，目前普遍采用 钢筋混凝土井壁结构，由于多方面的原因，井壁结构 内部往往存在着不同程度的质量缺陷，例如存在空洞、 不密实、孔隙、厚度不足等质量问题，从而产生安全 隐患。对于结构质量缺陷，传统的检测方法主要有目 测法、钻孔取芯法、压水试验法和钻孔声波法等，但 在实际应用中都存在一定的局限性。近年来，作为一 种物探新技术，地质雷达以其高分辨率、高效率、无 损探测、结果直观、数据实时显示和实时处理等优点， 逐步在地质勘探、隧道检测、衬砌及超前预报、地下 管线探测、桥梁和堤坝无损检测评估、考古探测、铁 路及公路的路基检测等方面得到广泛的应用。而在煤 矿建设生产领域，地质雷达也开始逐步在松动圈、冻 结壁等检测中得到应用，只是应用范围仍然有限，需 要进一步推广[1]。本文对李雅庄煤矿三号井风井井壁结 构现场探测及修复工程中地质雷达的应用进行探讨，分 析其应用效果及应用中需要注意的若干问题，旨在推动 地质雷达物探技术在煤矿安全检测领域的广泛应用。 1项目概述 1.1工程概述 李雅庄煤矿三号井风井建于 2015 年，设计井深 296 m，井径 7 m，壁厚 500 mm，其中，表土段、基 岩带井壁采用钢筋混凝土结构，其余部分采用素混凝 土结构，井壁混凝土设计强度等级均为 C35，钢筋采用 HRB335 级。修复前，井壁局部区域表面存在明显开裂 渗水、空洞、不密实等缺陷。为深入了解井壁结构内部 的质量状况，对井筒标高约 234 m 的范围内进行壁厚、 内部质量缺陷现场探测，分析得到结构质量缺陷状况， 为井壁结构的安全评估及修复加固实施提供重要依据[2]。 1.2地质雷达探测原理 地质雷达探测是利用结构内部不同介质的电性差 异来进行检测的一种物探方法，它通过雷达发射天线 向结构连续发射高频短脉冲电磁波，电磁波在向结构 内部传播的过程中遇到电性差异界面时会产生反射， 由接收天线接收，连续记录反射信号，即形成雷达剖面 记录，根据电磁波的传播时间、波形特征就可以反演得 出地层中介质的空间[3]。 2现场探测 本次探测采用 OKO-2 雷达探测仪，配套使用 AB-1200u 屏蔽天线。现场探测时，首先对井壁进行统 一编号，以井筒底部标高 311.9 m 处为第 1 模，依次向 上每间隔 3.6 m 为一个构件且依次编号到井口，然后对 标高 311.9耀5 460.0 m 范围指定区域进行雷达探测。现 场探测时分别对井壁厚度和内部质量缺陷状况进行探 测，前者是沿筒壁探测指定区域检测单元的井壁结构， 收稿日期2020-04-13 作者简介寇琴，1990年生，女，山西霍州人，2017年毕业于太 原理工大学安全工程专业，助理工程师。 地质雷达在煤矿井壁结构探测中的实践应用 寇琴 （ 山西焦煤霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西 霍州 031400 ） 摘要 以李雅庄煤矿三号井风井井筒的修复工程为例，采用雷达探测与现场取芯相结合的方法对井壁厚度和混凝土 质量状况进行探测，用于指导井壁修复方案的设计和现场加固的实施。现场应用表明，该矿三号井风井井壁结构内部存 在各种质量缺陷，约 20的区域厚度不满足设计要求；雷达探测结果与现场取芯结果一致性较好；地质雷达探测技术在 井壁结构探测及修复应用中是准确可靠的，可用于指导井壁结构的修复与加固。 关键词 井壁结构；质量缺陷；地质雷达；探测；修复 中图分类号 P631.3文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0181-02 Practical Application of GPR in the Detection of Shaft Wall Structure in Coal Mine KOU Qin Liyazhuang Coal Mine of Huozhou Coal Electricity Group Co., Ltd., Shanxi Coking Coal Group, Huozhou 031400, Shanxi, China Abstract Taking the repair project of air shaft of No.3 shaft in Liyazhuang Coal Mine as an example, this paper used the of combining radar detection with on-site coring to detect the thickness of shaft wall and the quality of concrete, which was used to guide the design of shaft wall repair scheme and the implementation of on-site reinforcement. The field application showed that there were various quality defects in the air shaft wall structure of No.3 shaft, about 20 of the area thickness did not meet the design requirements; the radar detection results were consistent with the field coring results; GPR detection technology was accurate and reliable in the detection and repair of the shaft wall structure, which could be used to guide the repair and reinforcement of the shaft wall structure. Key words shaft wall structure; quality defects; GPR; detection; repair （总第 177 期） 实践运用 181 2020 年第 6 期2020 年 6 月 同时采用现场钻取小芯样的方法对扫描数据进行修正， 对井壁厚度进行分析判断；后者则对指定区域混凝土 内部质量状况进行探测，根据雷达图像数据分析内部 存在质量缺陷的范围或区域，为四周环向 （顺时针或 逆时针 ） 进行雷达扫描后期维修加固提供参考[4]。 3探测结果分析 现场探测结果显示，检测区域井壁混凝土厚度差 异较大，大部分区域壁厚满足设计要求，局部区域厚 度低于设计要求 （ 约占检测区域的 20 ） 。根据对雷达 探测数据图像的处理结果可知，井壁结构检测区域内 部存在一定程度的质量缺陷，例如存在混凝土不密实、 杂质、空洞等情况。需要指出的是，雷达分析图谱中 信号干扰及雷达波衰减对图谱分析有一定的耦合影响， 对不同介质材料的系数调整需要一定的经验，再加上 介质含水率的影响，整体分析时存在一定的误差。为 此，进行了混凝土芯样的经验系数修正，以减少测试 信号干扰的影响。 以现场探测中第 43 模 3.2 m 高度处和第 45 模约 25 m 高度处雷达探测情况为例，对探测结果进行对比 分析和解释。由探测结果可知，第 43 模 3.2 m 高度处 井壁结构内部未见明显损伤，部分区域厚度不足500 m； 第 45 模约 25 m 高度处井壁内部存在空洞，部分区域 厚度不足 500 mm。 4井壁修复方案及效果 根据对风井井壁检测结果的分析，为确保井壁结 构的整体安全，针对井壁结构不同质量缺陷状况，特 制定以下方案进行修复加固，其中，部分区域井壁修 复及效果如图 1 所示。 a 井壁上部区域修复情况 b 井壁中部区域修复情况 图 1井壁部分区域修复及效果图 a 针对井壁夹杂黄土及蜂窝麻面的质量缺陷，预计 修复过程中可能凿穿井壁。先采用锚杆支护，在夹杂黄 土或蜂窝麻面周边约 600 mm 的范围内打锚杆固定井壁， 锚杆间距为 1 500 mm，规格为 椎20 mm伊2 200 mm， 托板为钢制蝶形托板，锚固力大于 60 kN。原则上现场 施工时尽量不采用锚杆支护。 b 针对厚度为 300耀400 mm 的井壁，需先处理该 范围内的井壁表面，再粘贴碳纤维布，加固碳纤维布 规格为 300 g/m2，宽为 300 mm，间距为 100 mm，呈 十字交叉布置。施工时在碳纤维布表面结构胶固化前， 在碳纤维布表面均匀抛撒一层石英砂，最后在碳纤维 布表面均匀刮抹一层聚合物砂浆。 c 针对厚度小于 300 mm 的井壁，需先将该范围 内的井壁拆除，拆除时应分段分块拆除，涂刷 JCT-552 型混凝土界面剂，再浇筑 JCT-WG 自密实充填砂浆。 d 由井筒修复后 2 a 多的使用情况来看，修复效 果很好，现场无新裂缝产生，也无渗水等质量缺陷存 在，井筒运行正常。 5结语 煤矿立井井壁结构受到高水化热、施工质量等诸 多因素的影响，内部存在不同程度的质量缺陷，其安 全性和耐久性受到影响。传统的结构检测方法在煤矿 井下应用时受到各种因素的制约，需引入新的高效、 适用的无损检测技术。由李雅庄煤矿三号井风井井筒 修复工程的地质雷达探测结果可知a 通过现场探测 证明地质雷达可用于探测井壁结构内部质量缺陷的部 位、井壁厚度等状况，且由现场探测可知，井壁结构 探测区域混凝土厚度差异较大，局部区域厚度小于设 计要求。b 根据雷达探测结果选取典型的位置进行钻 孔取芯，得到了钻取芯样的缺陷、结构层厚度等，对 探测结果的准确性进行验证；同时进行了混凝土芯样 的经验系数修正，以减少测试信号的干扰，通过这种 手段来认识质量缺陷在雷达探测图上的特征和表现形 式。c 地质雷达探测过程中会受到客观和主观方面因 素的影响，例如存在井壁结构内部状况复杂，各结构 层介电常数有时较接近，井壁与探测器接触面有鼓凸、 积水、裂缝等，人员操作经验和图像解释水平差异较 大等，探测结果的准确性会受到一定的影响。因此， 实际探测应用中应结合钻孔取芯法、超声波法等辅助 进行，不断完善雷达探测手段。 参考文献 ［1］ 伍永平， 翟锦， 解盘石， 等.基于地质雷达探测技术的巷道围岩 松动圈测定 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 413 32-34. ［2］ 宋雷， 刘天放， 黄家会， 等.冻结壁发育状况的地质雷达探测研 究 ［J］ .中国矿业大学学报， 20052 14-18. ［3］ 周黎明， 王法刚.地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量 ［J］ .岩 土工程界， 20033 74-76. ［4］ 杨永杰， 刘传孝， 蒋金泉， 等.巷道围岩松动圈的地质雷达探测 及应用 ［J］ .工程地质学报， 19973 85-90. （ 责任编辑刘晓芳 ） 182