地质雷达在矿山地裂缝探测中的应用_蒋峰.pdf

202313技术应用与研究75Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究75Modern Chemical Research当代化工研究地质雷达在矿山地裂缝探测中的应用蒋峰1 闫成祥1 牛兴国2 李亮2 余静薇1 马旭文3 郑有伟1*(1.内蒙古科技大学 内蒙古 0140102.内蒙古有色地质矿业（集团）综合普查有限责任公司 内蒙古 0100103.内蒙古第二水文地质工程地质勘查有限责任公司 内蒙古 017000)摘要：矿山在开采过程中，受到采动影响和地应力的改变，往往在地表引起不同规模的地裂缝。开采方通常对于这些地裂缝的具体展布和贯通性不是很明确，给矿方下部煤层的安全开采造成极大困扰。本文对以往地质、水文资料的分析基础上，采用地质雷达对内蒙古某煤矿的探测，初步分析地裂缝的成因，了解工区内浅部裂缝空间展布特征及规律；为后续钻探等工程手段提供地球物理依据。关键词：地裂缝；地质雷达；煤矿中图分类号：P64 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.025Application of Geological Radar in Mine Ground Fracture DetectionJiang Feng1,Yan Chengxiang1,Niu Xingguo2,Li Liang2,Yu Jingwei1,Ma Xuwen3,Zheng Youwei1*(1.Inner Mongolia University of Science and Technology,Inner Mongolia,0140102.Inner Mongolia Nonferrous Geology and Mining(Group)Comprehensive Survey Co.,Ltd.,Inner Mongolia,0100103.Inner Mongolia Second Hydrogeology Engineering Geological Exploration Co.,Ltd.,Inner Mongolia,017000)Abstract：In the process of mining,the influence of mining and the change of ground stress often cause ground fractures of different scales on the surface.The mining party is usually not very clear about the specific distribution and penetration of these ground fractures,which causes great trouble to the safe mining of the coal seam below the mining party.Based on the analysis of previous geological and hydrological data,this paper uses geological radar to detect a coal mine in Inner Mongolia,preliminarily analyzes the causes of ground fractures,and understands the spatial distribution characteristics and rules of shallow fractures in the working area.It provides geophysical basis for subsequent drilling and other engineering means.Key words：ground fracture；geological radar；coal mine采用传统的地球物理勘探、钻探技术和土工试验等方法，所获得的地下矿坑裂缝信息数量少、成本高且效率低1。近年来，以地质雷达探测技术为代表的新型物探方法在地下裂缝探测研究中得到了推广应用，地质雷达具有连续探测的特点，因此能够有效补充钻孔探测信息，提升复杂地质条件下地下裂缝的探测精度，提升探测效率，降低勘察成本2。低频地质雷达可获得大范围的地下结构图像解释，能弥补高频地质雷达图像解释的不准确性3-4，因此，本文采用的是高低频地质雷达相结合的技术手段来研究。李远强5总结了采空区、活断层、地下水超采3种不同原因产生的地裂缝在地质雷达探测下的波形特征，探测结果得到了钻探、槽探验证。王玉海等6采用地质雷达法探测矿区地裂缝，经钻探验证，取得了良好的地质效果，得出地质雷达具有分辨能力强，观测效率高，信息量大等优点，用来探测地裂缝、裂隙，是可行而且有效的。曹朋军7通过探地雷达法与高密度电阻率法相结合，对地裂缝发育及展布特征进行探测的研究，得出两种方法对于地裂缝均有着较灵敏的响应，通过理论模拟及实例验证，证实了以两种方法结合为主的综合地球物理方法对于地裂缝探测是有效的。李广成等3研究应用大地电磁测深法、瞬态瑞雷波及地震映像3种物探现场探测巨厚煤层综放开采地表裂缝深度。周正中4采用地震映象法、面波法和电测深法探测地裂缝，验证发现实际状况与物探成果吻合。徐坤等8采用地质雷达技术，来探测煤矿采空区，根据探测结果，对比不用异常区的横向分布范围和埋深情况，推断出采空区内斜井的分布特征。地质雷达在地质灾害勘查中的应用频繁9-16，运用在地裂缝、岩溶塌陷、滑坡以及滑动断裂勘查等，为地质灾害勘查结果的准确性提供了参考。1.区域地质概况该矿区地处中朝准地台鄂尔多斯西缘拗陷带之桌子山褶断带中，其地层区划古生代属贺兰桌子山地层分区，中新生代属陕甘宁地层区鄂尔多斯地层分区。古生界寒武系（）和奥陶系中统（O2）为浅海相碳酸盐建造，其上呈假整合覆盖的石炭系上统太原组（C2t）、二叠系下统（P1）与上统（P2）为海陆交互相或陆相含煤建造，中生界侏罗系（J）、三叠系（T）与白垩系下统志丹群（K1zh）为湖沼相含煤建造、碎屑岩建造；新生界第三系（R）、第四系（Q）为陆相碎屑沉积。202313技术应用与研究76Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究76Modern Chemical Research当代化工研究桌子山煤田的大地构造单元为华北地台(级)，鄂尔多斯西缘坳陷(级)，级构造单元为桌子山褶断束。由于燕山运动导致的东西向挤压力，在本区形成一系列走向南北，轴面西倾的非对称背、向斜。构造线方向近南北向，褶皱轴向主要为近南北向；大部分逆断层走向平行褶曲轴向，正断层走向主要为东西，其次为北西向。在先后关系上，褶皱及逆断层发生在前，正断层发生在后。2.地质雷达探测数据分析(1)原理及优势地球物理勘探技术是利用电导性、磁性、密度、放射性等参数差异来探测地下目标介质的一种技术。地质雷达主要由主机、天线、辅助采集装置以及相关的数据处理软件组成。根据电磁波在有耗介质中的传播特点，发射天线向地下介质发射高频脉冲电磁波，在遇到地下介质层发生变化时，会将一部分电磁波从反射面反射回去，其反射系数主要取决于地下介质的介电常数，雷达主机通过对这部分的反射波进行及时接收和处理，从而就能实现对目标介质的探测以及识别。地质雷达探测技术与其它物探、钻探等探测技术相比，地质雷达探测方法是具有数据精度高、分辨能力强、检测速度快、操作简便、成像色彩丰富和成果直观可视等许多优势，是一种较理想的能对地下地质体进行无损检测的探测技术。地下出现断层、裂缝和空洞时，由于电磁波传播介质发生改变，所以都会形成雷达波的反射界面，这些反射界面会将一部分电磁波反射回去并及时被主机接收。因此利用地质雷达来高效无损探测空洞或地裂缝是一个有效的方法。(2)技术路线采用高低频地质雷达实现对采场地裂缝及深部奥陶系地层进行探测，为将后露天采坑治理和下部煤层开采提供指导性依据，其具体实施方法如下：资料收集。首先收集尾矿库区基础地质资料以及采区工程设计资料，了解工区的地质情况、岩石的地球物理特征以及现场施工情况。地质雷达数据采集与分析。按照由浅到深，由整体到局部的原则，首先针对采场现有地裂缝发育区，垂直地裂缝走向采用100MHz和50MHz天线进行地质雷达探测，以实现对工区浅部裂缝展布情况的探测；然后采用12.5MHz天线沿南北向进行地质雷达探测实现对深部奥陶系灰岩顶界面的探测。本次项目采用地质雷达技术，因为存在现场施工场地有限、地表地质条件较差、干扰多变等不利因素的影响，对所需检测设备提出了一定要求。本次工作采用的是加拿大地质雷达系统。(3)地质雷达测线展布结合施工条件和地质任务，在工区自南向北布置了8条12.5MHz地质雷达主测线以探测深部地层情况，测线编号为L1L8，其中L1L5测线位于工区采坑底部区域，L6L8测线位于工区采坑底部南侧台阶；垂直采场底部西侧断层布置了5条50MHz东西向测线，测线编号L11L15，相邻测线间距10m；针对采坑底部南裂缝区布置了100MHz地质雷达三维测网以详细探测地表裂缝发育情况，南北向测线编号YL1YL4，东西向测线编号XL1XL8，相邻测线间距为5m（如图1地质雷达测线分布图）。本文主要针对12.5MHz（L1）、50MHz（L12、L14）和100MHz（XL3、YL3）测线分别进行分析解释。图1 地质雷达测线分布图(4)12.5MHz地质雷达数据分析解释L1测线位于采坑西侧，测线长度105m。从图2可知，该测线地层在深度30m以内，同相轴反射能量强，波组特征连续稳定，表明该测线地层总体沉积稳定（如图2中线框1所示）。此外，在横向桩号165170区域，同相轴出现扭曲与错动，初步推断为断层。在深度33m与40m处有两处近水平同相轴，反射能量十分强，初步推断为奥陶系地层（如图2中线框2所示），在该层横向桩号100135m区域波形杂乱，反射信号十分弱，初步推断此区域可能为奥陶系岩溶所致（如图2中线框3、4所示）。图2 L1线地质雷达解释剖面(5)50MHz地质雷达数据分析解释受现场坡面强反射干扰，测线深部有效信号受空202313技术应用与研究77Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究77Modern Chemical Research当代化工研究气直达波干扰十分严重，对深部信号的解释造成了较大影响，下面仅对典型的两条测线L12和L14进行分析解释。从图3a中可知，地质雷达剖面在横向桩号22m位置，同相轴错动较为明显，断面两侧波组特征出现较为明显的差异，表明该断层向下延伸6m以上（深部受干扰影响）；从图3b中可知，地质雷达剖面在横向桩号20m和26m位置，深度06m同相轴错动较为明显，出现较为明显的断面绕射波，深度6m以下断面绕射不是十分明显。L12 a L14 b图3 典型测线50MHz地质雷达解释图(6)100MHz地质雷达数据分析解释从图4中可知，区域南侧的东西向测线XL3在深度5m内同相轴出现了较为明显的错动和变形，表明地表裂缝向下延伸可能达5m深；南北向测线YL3在深度5m内同相轴出现了较为明显的错动和变形，表明此区域岩体裂隙较为发育。XL3 YL3图4 100MHz地质雷达测线解释分析3.结论及建议(1)结论工区内石炭系上统太原组上岩段煤系地层沉积稳定连续，下岩段地层连续性较差，奥陶系顶面埋深在3050m不等，南侧岩溶较北侧更为发育；地表裂缝为非构造成因地裂缝，向下延伸3.54.5m，下部岩层未见明显破坏；西侧断层向西倾斜，倾角5679，地表延伸长度63.5m，经地质雷达探测发现，深度06m同相轴错动较为明显，断面两侧地层有较为明显的差异：断面西侧地层连续性较好，东侧浅部石炭系煤系地层出现了明显的抬升现象，且奥陶系地层连续性较差，可能存在发育不均匀的岩溶；采坑东南部地裂缝发育区、东侧地表形变区与深部奥陶系不连续区空间上存在一定的相关性。因此初步推断采场裂缝可能是深部奥陶系岩溶与西侧断层共同破坏所致。(2)建议工区内50MHz地质雷达受地表干扰较强，数据质量较差，对于西侧断层深部发育情况需要进一步判断。针对工区地表变形严重、地裂缝发育，建议对此区域揭露和物探解释的裂缝、断层等加强监测，除布置固定形变监测点以外，可适当增加应力监测等技术方法，为矿区安全开采提供进一步保障。【参考文献】1黄雅泽,张会领.广西侧岭地区地裂缝成因研究J.西部交通科技,2019(04):40-45.2李发本,刘志祥,石志纯.地下转露天空区探测研究J.采矿技术,2006(02):53-54.3李广成,石尔清,姜升.巨厚煤层综放开采地表裂缝深度探测研究J.矿山测量,2010(04):54-58.4周正中.综合物探方法在地裂缝探测中的应用J.工程地球物理学报,2008,5(06):705-708.5李远强.探地雷达探测地裂缝的几个实例J.物探与化探,2012,36(04):651-654.6王玉海,姜涛.地质雷达在检测地裂缝中的应用J.勘察科学技术,2001(03):62-64.7曹朋军,王天意,侯征,等.综合地球物理方法探测地裂缝发育及展布J.工程地球物理学报,2020,17:251-257.8徐坤,李欣睿,陈忍忍.地质雷达在煤矿采空区的探测应用研究J.地质装备,2022,23(06):25-27+37.9邹斌.地质雷达在地质灾害勘查中的应用研究J.西部资源,2022,108(03):156-158.10赵云威,朱自强,鲁光银,等.地质雷达在玄武岩地区溶洞勘察中的应用J.公路工程,2012,37(03):204-208.11王全涛.低频地质雷达新技术在滑坡勘查中的试验研究J.有色金属文摘,2015,30(06):4+6.12温学飞,何滔,孟海东,等.地质雷达在露天矿土质边坡滑动面探测中的应用J.煤炭技术,2017,36(12):127-130.13贺国伟.金鸡滩煤矿首采工作面厚松散层地裂缝变形特征研究J.煤炭科技,2020,41(04):15-18.14张玉峰.地质雷达在滑坡滑面分析中的应用J.中国西部科技,2009,8(30):21-24.15郭建强,朱庆俊.地质灾害勘查的地球物理方法及其发展趋势J.地球学报,2003(05):483-486.16张超.地质雷达技术在坝体裂缝探测中的应用J.山西水利科技,2018,207(01):25-27+31.【基金项目】内蒙古自然科学基金项目“内蒙古中东部草原区煤电基地生态扰动监测”（项目编号：2021MS05038）；内蒙古自然科学基金项目“大青山西段晚中生代以来差异隆升-剥蚀过程来自低温热年代学的约束”（项目编号：2022LHMS04002）；昆都仑区科技计划项目“大青山南麓土壤重金属污染调查与风险评价”（项目编号：YF2020015）【作者简介】蒋峰（1998-），男，汉族，重庆梁平人，硕士在读，研究方向：矿山安全与地质保障。【通讯作者】郑有伟（1988-），男，汉族，甘肃武威人，博士，硕士生导师，研究方向：矿山安全与地质保障。