探地雷達(dá)在采空區(qū)上方地裂縫的應(yīng)用

倪建宇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院 北京 100083)

引言

神東礦區(qū)某煤礦12401工作面在大采高、高速推進(jìn)的過程中不可避免的會造成地面塌陷、地裂縫，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，使采煤塌陷區(qū)土地產(chǎn)生不同程度沙漠化，植被受到破壞[1]，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致采空區(qū)與外界空氣連通，觸發(fā)采空區(qū)煤層自燃，威脅礦山機(jī)電設(shè)備和生產(chǎn)人員的安全，造成空氣污染。因此有必要查明該地區(qū)采煤地裂縫分布及其發(fā)育規(guī)律。

目前可探查的多為出露的地表裂縫，而事實(shí)上在地表下方一定區(qū)域還存在大量隱伏地裂縫，這些隱伏地裂縫一部分包括未擴(kuò)展到地表的地裂縫，另一部分包括早期擴(kuò)展到地表，但由于該地區(qū)上覆松散層較厚且未固結(jié)，經(jīng)過一段時間自然愈合或被植物覆蓋，在地表難以識別的地裂縫。傳統(tǒng)對于地裂縫的調(diào)查方法主要有人工調(diào)查、無人機(jī)攝影測量和InSAR地面沉降監(jiān)測等手段，對地表可見裂縫調(diào)查效果明顯，但這些方法都難以觀測到隱伏地裂縫，因此有必要采用合理的物探手段對一些隱伏地裂縫進(jìn)行探測。

探地雷達(dá)廣泛應(yīng)用于管線探測[2]、道路檢測[3]等方面，也應(yīng)用于估算砂壤中的含水率[4]，同時由于探地雷達(dá)對監(jiān)測較小構(gòu)造的具有較高的靈敏性，也被應(yīng)用于探查壩體裂縫[5]。基于探地雷達(dá)可以較為精細(xì)的探測淺地表范圍內(nèi)(0-6m)的結(jié)構(gòu)情況，可有效地探查隱伏地裂縫，故研究通過使用探地雷達(dá)(包括GR-IV型探地雷達(dá)和SIR-4000地質(zhì)雷達(dá))聯(lián)合勘探對地表以下裂縫進(jìn)行探測，通過地質(zhì)雷達(dá)對縱向延伸較淺的裂縫進(jìn)行探測，分析該礦超大工作面采空區(qū)上方地裂縫的地球物理響應(yīng)特征及影響范圍。

一、探地雷達(dá)勘探

(一)探地雷達(dá)勘探原理

探地雷達(dá)是一種高頻脈沖電磁波探測技術(shù)，利用主頻為數(shù)十兆赫至千兆赫(106-109Hz)波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線(T)發(fā)送至地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層的界面反射后返回地面，由接收天線(R)接收。

探地雷達(dá)能夠判識地下異常體，是由于地下不同介質(zhì)在介電常數(shù)、磁導(dǎo)率以及電導(dǎo)率等方面存在差異，造成雷達(dá)反射回波出現(xiàn)異常并被記錄，在處理過程中形成雷達(dá)探測剖面。剖面上的波形正負(fù)峰值分別以灰階或彩色表示，通過同相軸或等灰度線、等色線形象地表征出地下目標(biāo)的異常情況。

(二)儀器選擇

本次探測使用GR-IV型雷達(dá)主機(jī)以及200MHz自激自收式天線(一體式)共同搭配構(gòu)成的探測系統(tǒng)和GSSI SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)以及400MHz自激自收式天線(一體式)搭配構(gòu)成的探測系統(tǒng)共同進(jìn)行探測。

1.GR-IV型探地雷達(dá)系統(tǒng)

GR-IV型探地雷達(dá)系統(tǒng)的硬件主要由一體化主機(jī)、高頻信號線、電源線、供電電池、輔助配件等幾部分組成。GR-IV型探地雷達(dá)主機(jī)采用顯示系統(tǒng)與控制單元的一體化設(shè)計(jì)，方便攜帶和使用。鍵盤采用薄膜防水防塵設(shè)計(jì)，增加了觸摸屏，操作簡單，便于用戶野外操作。

GR-IV型探地雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

掃描速度：≥100KHz脈沖頻率

采樣點(diǎn)數(shù)：128-4096可選

時間窗范圍：5-2000ns

數(shù)據(jù)采集方式：單點(diǎn)采集、連續(xù)采集、測距輪控制采集

天線系統(tǒng)：

中心頻率：200MHz

最大探測深度：10m

2.GSSI SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)

SIR-4000型雷達(dá)硬件主要包括主機(jī)，電纜，天線及其他配件等幾部分組成。

SIR-4000型探地雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

數(shù)據(jù)采集：

發(fā)射率：高可至800KHZ

采樣點(diǎn)數(shù)/掃描：256,512,1024,2048,4096,8192,16384

掃描速率：最高可達(dá)400掃描/秒

操作方式：連續(xù)測量(時間)、距離測量(測量輪)、點(diǎn)測

時間范圍：0-20000納秒

(三)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

采集的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)需經(jīng)過信號處理，才能獲得細(xì)節(jié)較好便于判斷的剖面圖。資料處理首先是去除干擾提取有效信號，其次是提取干擾信號，從而設(shè)法將提取的干擾信號進(jìn)行相位取反疊加到原始信號上，從而達(dá)到去噪目的。探地雷達(dá)干擾信號很多且復(fù)雜，需要進(jìn)行多種方法的綜合處理，才能有效提高信噪比。具體流程如下：

圖1-1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)此次探測場地實(shí)際地質(zhì)條件，處理流程按照“零線設(shè)定”—“背景去躁”—“時窗樣點(diǎn)壓縮”—“一維FIR濾波”—“小波變換”—“增益控制”進(jìn)行，在處理過程中根據(jù)實(shí)際采集情況設(shè)定處理參數(shù)，部分剖面還進(jìn)行了“滑動平均”處理，保證雷達(dá)剖面的解釋分辨率。

二、實(shí)際應(yīng)用

(一)試驗(yàn)區(qū)域概況

本井田位于鄂爾多斯高原東部，其總的地形特征呈西北高、東南低的斜坡狀。最高處位于西北部b284號鉆孔附近，海拔標(biāo)高為1298.90m，最低處位于爾力古灣黑炭溝溝口，海拔標(biāo)高為1095m。一般標(biāo)高在1100-1200m之間。

井田受毛烏素沙漠影響，地大部分被風(fēng)積積沙覆蓋。地形復(fù)雜，溝谷縱橫，多為向源侵蝕，延展方向基本為NW-SE向，且主溝兩側(cè)的支溝特別發(fā)育，呈樹枝狀分布。在東部，風(fēng)積沙呈波狀及新月形沙丘地貌。

(二)測線設(shè)計(jì)

根據(jù)該煤礦采煤沉陷區(qū)的分布情況，此次共布置了五條測線。測線總體布置在工作面的正上方，全方位研究工作面上方不同區(qū)域地裂縫的延展發(fā)育情況。其中L1測線探測采煤延伸方向所在直線工作面內(nèi)外的裂縫，L2測線作為輔助測線，主要沿正北方向探測裂縫，起到聯(lián)系各條側(cè)線的作用，L3測線沿著切眼方向?qū)Πl(fā)育在切眼上方裂縫的進(jìn)行探測，L4、L5測線布置在工作面正上方，主要對回風(fēng)順槽、膠帶運(yùn)輸順槽和軌道運(yùn)輸順槽上方的裂縫進(jìn)行探測，其中L4、L5測線部分重合通過這五條測線共同對地表及隱伏在地表以下的裂縫進(jìn)行探測，研究其地球物理響應(yīng)特征及影響范圍。

圖2-1 測線布置圖

(三)測線設(shè)計(jì)

1.SIR-4000型探地雷達(dá)探測剖面

雷達(dá)剖面在L1測線40-50m段、165-178m段、180-190m段、195-205m段、275-285m段、395-405m段，L2測線25-35m段、47-55m段、193-208m段、231-240m段，L3測線140-150m段、255-265m段、352-362m段、435-445m段，L4+L5測線9-20m段、125-135m段、225-235m段、361-372m、395-405m段、495-505m段范圍內(nèi)產(chǎn)生同相軸錯斷現(xiàn)象，并具有較強(qiáng)的松散層反射響應(yīng)(如圖2-2 a～d)。判斷地下產(chǎn)生介質(zhì)疏松、不密實(shí)導(dǎo)致的氣相組分增加現(xiàn)象。

(a)L1測線180-190m段雷達(dá)剖面 (b)L2測線193-208m段雷達(dá)剖面

(a)L1測線雷達(dá)探測結(jié)果剖面

2.GR-IV型探地雷達(dá)探測剖面

在雷達(dá)剖面中，L1測線在30-70m段、150-155m段、165-178m段、180-190m段、195-205m段、205-225m段、230-245m段、275-285m段、395-415m段，L3測線在30-45m段、75-90m段、110-125m段、140-150m段、165-170m段、185-215m段、255-265m段、300-310m段、320-325m段、335-345m段、352-362m段、398-403m段、410-425m段、435-445m段、480-495m段(圖中藍(lán)色標(biāo)記)范圍內(nèi)，產(chǎn)生同相軸錯斷現(xiàn)象，有較強(qiáng)松散層反射響應(yīng)。其中在L1測線40-50m段、165-178m段、180-190m段、275-285m段、395-405m段，L3測線140-150m段、255-265m段、352-362m段、435-445m段雷達(dá)剖面異常與SIR-4000雷達(dá)剖面異常位置出現(xiàn)重合。

3.雷達(dá)剖面解釋

經(jīng)過查閱資料以及實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)：地下介質(zhì)疏松異常為原采煤沉降而形成的裂縫，后自然閉合而產(chǎn)生的土壤不密實(shí)現(xiàn)象。故可將此種雷達(dá)剖面異常解釋為地裂縫。

經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)探測，具體地裂縫不同發(fā)育深度統(tǒng)計(jì)如下表：

表2-1 裂縫發(fā)育深度統(tǒng)計(jì)表

三、裂縫分布范圍

經(jīng)過探地雷達(dá)的勘探，采煤沉陷裂縫水平投影如圖。綠色細(xì)線即為裂縫主要的分布位置。

圖3-1 裂縫發(fā)育水平投影圖

四、結(jié)論

(1)通過探地雷達(dá)的勘探裂縫異常響應(yīng)進(jìn)行了識別與解釋，基本圈定了12401綜采面上方地表的隱伏地裂縫分布范圍。(2)通過對探測所獲得的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：地表裂縫主要分布在采煤下沉盆地的邊緣及中心位置，在巷道切眼的正上方地表及盆底區(qū)發(fā)育密度最大。(3)探地雷達(dá)勘探對地下開采形成的地表可見地裂縫和隱伏地裂縫都有著較好響應(yīng)，能夠?qū)Σ煌疃鹊牧芽p及發(fā)育趨勢進(jìn)行探測，可有效探查地裂縫。