探地雷達(dá)用于采煤區(qū)地表拉張裂隙探測(cè)研究

黃 河，馮 宇，嚴(yán)家平，胡雄武，尚相春

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)<集團(tuán)>有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000）

采煤區(qū)地表拉張裂隙形成是一個(gè)復(fù)雜的巖土力學(xué)時(shí)空演變過(guò)程，地質(zhì)條件、開(kāi)采工藝、第四系松散層物理力學(xué)性質(zhì)等對(duì)拉張裂縫的形成與演化影響較大[1-3]。何國(guó)清等[4]研究表明在相似開(kāi)采地質(zhì)條件下，塑性大的表土層產(chǎn)生地裂縫步距較大，地裂縫尺寸也較大，但裂縫條數(shù)相對(duì)較少。胡振琪等[5]研究表明風(fēng)沙區(qū)地表賦存較厚風(fēng)積沙，具有高孔隙度和半流動(dòng)性特征，力學(xué)強(qiáng)度差，地裂縫具有較強(qiáng)自修復(fù)特征。采煤區(qū)地表拉張裂隙的產(chǎn)生破壞了原有土層結(jié)構(gòu)，加速了地表水和土壤養(yǎng)分的流失，造成嚴(yán)重的水土流失、植被破壞和地質(zhì)災(zāi)害等危害[6-8]。

地裂縫發(fā)育密度、寬度及深度對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響非常關(guān)鍵，因此快速、精準(zhǔn)查明地裂縫發(fā)育深度、寬度等，對(duì)于礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理具有重要意義。目前針對(duì)地裂縫發(fā)育特征調(diào)查多采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與監(jiān)測(cè)[9]，李亮等提出采用三維激光掃描[10]技術(shù)開(kāi)展地裂縫調(diào)查；胡振琪等[11]圍繞西部風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采動(dòng)態(tài)地裂縫發(fā)育特征開(kāi)發(fā)了一套采動(dòng)地裂縫發(fā)育規(guī)律的監(jiān)測(cè)裝置；李娜娜等[12]基于高密度電法對(duì)沉陷區(qū)地表裂隙密度和寬度調(diào)查開(kāi)展試驗(yàn)研究。探地雷達(dá)技術(shù)近年來(lái)也不斷應(yīng)用于拉張裂隙調(diào)查，李遠(yuǎn)強(qiáng)[13]利用探地雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展了地裂縫探測(cè)的研究。本文利用探地雷達(dá)技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)展采煤區(qū)地表拉張裂隙深度探測(cè)研究，為采煤區(qū)地表拉張裂隙精準(zhǔn)探測(cè)與地質(zhì)環(huán)境治理提供技術(shù)保障。

1 研究區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育特征

1.1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)選擇孫疃煤礦1047工作面。孫疃煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)，屬淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司所屬國(guó)有煤礦，年產(chǎn)煤炭180×104t。

1047工作面是孫疃煤礦當(dāng)前主采工作面。1047工作面走向長(zhǎng)560m，傾向?qū)?20m，切眼方向?yàn)?50°，機(jī)巷、風(fēng)巷方向?yàn)?0°。1047工作面采高約3.3m，采煤方法為綜采法，主要回采10煤，采深-380.4～-427.3m，上覆第四系松散層厚約200m。

1.2 研究區(qū)拉張裂隙發(fā)育特征

孫疃煤礦1047工作面回采期間，與切眼方向近平行的“橫向裂隙”和與風(fēng)巷（或機(jī)巷）近平行的“縱向裂隙”均發(fā)育明顯，裂隙長(zhǎng)度從十幾米到一兩百米不等，寬度從幾毫米到幾十厘米不等；深度幾米到十幾米不等，橫向裂隙分布間隔8～12m左右，縱向裂隙分布間距6～15m左右。縱向裂隙發(fā)育隨著采煤活動(dòng)推進(jìn)呈現(xiàn)產(chǎn)生—發(fā)展—趨穩(wěn)的規(guī)律，而橫向裂隙發(fā)育則呈現(xiàn)產(chǎn)生—發(fā)展—減弱—閉合的規(guī)律。裂隙發(fā)育對(duì)地表形態(tài)、土壤質(zhì)量、植被生長(zhǎng)、道路、堤壩及房屋安全等造成較大影響。

2 拉張裂隙測(cè)量

2.1 測(cè)量方法

拉張裂隙發(fā)育深度、寬度對(duì)其地質(zhì)環(huán)境影響至關(guān)重要，為了查明1047工作面地表拉張裂隙發(fā)育特征，本次研究采用坑探法開(kāi)展測(cè)量。坑探選擇在4條比較典型的拉張裂隙上，試坑開(kāi)挖尺寸（長(zhǎng)×寬×深）為150cm×120cm×150cm，開(kāi)挖時(shí)分3個(gè)臺(tái)階，開(kāi)挖后實(shí)測(cè)坑內(nèi)拉張裂隙深度、寬度。

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

坑內(nèi)拉張裂隙深度、寬度直接測(cè)量結(jié)果詳見(jiàn)表1。由于受試坑尺寸制約，無(wú)法直接準(zhǔn)確量測(cè)裂隙深度，本次研究還根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，推斷拉張裂隙發(fā)育深度，擬合曲線見(jiàn)圖1。根據(jù)擬合曲線可知，坑1裂隙發(fā)育深度約7.6m，坑2裂隙發(fā)育深度約7.3m，坑3裂隙發(fā)育深度約6.8m，坑4裂隙發(fā)育深度約6.5m。

圖1 拉張裂隙發(fā)育寬度與深度擬合曲線

表1 坑內(nèi)裂隙深度、寬度實(shí)測(cè)值

由于拉張裂隙發(fā)育深度較大，受坑探法施工難度限制，采用坑探法無(wú)法直接測(cè)量出拉張裂隙發(fā)育深度，只能通過(guò)擬合分析間接獲得拉張裂隙發(fā)育深度，這對(duì)于準(zhǔn)確掌握采煤區(qū)拉張裂隙發(fā)育深度及地質(zhì)環(huán)境影響有很大制約。

3 利用探地雷達(dá)拉張裂隙深度探測(cè)

3.1 測(cè)試原理

為了更好地探測(cè)采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育深度，本次研究采用探地雷達(dá)對(duì)地表拉張裂隙發(fā)育深度進(jìn)行探測(cè)。探地雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播時(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)發(fā)生反射，返回地面后由接收天線所接收，根據(jù)接收到的電磁波波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。

本次探測(cè)采用瑞典RAMAC/GPR系列便攜式高精度探地雷達(dá)，該儀器的特點(diǎn)是分辨率高，擅長(zhǎng)于進(jìn)行大數(shù)據(jù)量、高密度的連續(xù)探測(cè)并實(shí)時(shí)顯示彩色波形圖，適合本次研究需要。

3.2 測(cè)試方案

本次研究結(jié)合裂隙發(fā)育特點(diǎn)共布置了2條測(cè)線，分別記為SL1和SL2，其中SL1為南北向，長(zhǎng)度約55m（坑探點(diǎn)位于此測(cè)線上）；SL2為東西向，長(zhǎng)度約106m，測(cè)線布置詳見(jiàn)圖2。針對(duì)測(cè)線SL1和SL2，現(xiàn)場(chǎng)選擇非屏蔽天線100MHz進(jìn)行測(cè)試。GPR現(xiàn)場(chǎng)采集參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 GPR數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置（100MHz）

圖2 探地雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

SL1和SL2兩條測(cè)線上的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。經(jīng)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)波響應(yīng)特征分析，拉張裂隙發(fā)育位置及深度詳見(jiàn)表3。

表3 探地雷達(dá)測(cè)試分析結(jié)果

圖3 SL1測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果（100MHz天線）

圖4 SL2測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果（100MHz天線）

4 對(duì)比分析

利用探地雷達(dá)探測(cè)到的拉張裂隙位置與實(shí)際測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性，其中現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的試坑所處裂隙分別對(duì)應(yīng)于探地雷達(dá)測(cè)線SL1上第①、②、③、④條裂隙，將這兩種方法探測(cè)的拉張裂隙深度進(jìn)行對(duì)比（對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表4），由對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)于拉張裂隙發(fā)育深度，探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與坑探測(cè)量擬合分析結(jié)果高度一致，且位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)吻合度較好，表明探地雷達(dá)用于探測(cè)礦區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育位置及深度效果良好，為拉張裂隙調(diào)查提供了廣闊的應(yīng)用前景。

表4 探地雷達(dá)探測(cè)深度與坑探擬合深度對(duì)比

5 小結(jié)

采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育對(duì)礦區(qū)水土保持、土壤質(zhì)量、地質(zhì)環(huán)境造成較大影響，快速準(zhǔn)確地探測(cè)拉張裂隙的發(fā)育位置及規(guī)模對(duì)于開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與環(huán)境治理具有重要意義。探地雷達(dá)技術(shù)利用其分辨率高、連續(xù)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可以精準(zhǔn)探測(cè)采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育位置、深度，在采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育特征調(diào)查方面具有良好的應(yīng)用前景。