應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)和鉆孔窺視研究頂板裂隙分布規(guī)律
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郝傳波1，張帥帥2，肖福坤1，李 巖3
（1．黑龍江科技大學(xué)黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150027；2．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150027；3．七臺(tái)河寶秦隆煤化工股份有限公司，黑龍江七臺(tái)河154600）
摘 要：為了測(cè)定頂板巖體的結(jié)構(gòu)及破壞情況，給巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用pulse EKKO PRO型地質(zhì)雷達(dá)和鉆孔窺視聯(lián)合測(cè)定頂板裂隙分布規(guī)律，充分發(fā)揮地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)與鉆孔窺視的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。鉆孔窺視可直觀反映頂板巖體的不連續(xù)面（如層理、節(jié)理、裂隙），受現(xiàn)場(chǎng)條件影響最大鉆孔深度僅4m；地質(zhì)雷達(dá)精確探測(cè)距離為0～10m，可延伸至鉆孔窺視盲區(qū)，對(duì)圍巖裂隙不能精確描述。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：通過分析地質(zhì)雷達(dá)波形圖可知結(jié)構(gòu)異常區(qū)域分布在3. 5m和6.3m范圍內(nèi)，分析鉆孔窺視輸出圖像得到孔壁3. 5m附近巖體破碎、破壞較嚴(yán)重，對(duì)比分析可以確定此處有頂板離層現(xiàn)象。由此可見，用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)頂板巖體的結(jié)構(gòu)及破壞是可行的，二者的結(jié)合既可宏觀判斷圍巖裂隙范圍，也可細(xì)觀觀察圍巖破碎情況及裂隙方向。
關(guān)鍵詞：圍巖裂隙；地質(zhì)雷達(dá)；鉆孔窺視；圍巖支護(hù)；電磁波
中圖分類號(hào)：TD325文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0095-05
近些年，隨著煤礦開采深度不斷增加，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，礦壓顯現(xiàn)愈加明顯，導(dǎo)致巷道支護(hù)的難度逐漸加大，隨之產(chǎn)生的頂板災(zāi)害問題也更加突出。雖然頂板災(zāi)害不像瓦斯爆炸、透水、沖擊地壓造成大規(guī)模的重大安全事故，其發(fā)生的頻率卻是煤礦災(zāi)害中最多的，如何控制巷道的頂板穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約礦井安全生產(chǎn)的技術(shù)難題之一。特別是在巷道施工和維護(hù)中，因巷道頂板巖體內(nèi)部含有各種的不連續(xù)面，如層理、節(jié)理、裂隙等，這些不連續(xù)面的存在明顯改變了巖體的強(qiáng)度特征和變形特征，使巖體的強(qiáng)度顯著降低。因此，在巷道進(jìn)行支護(hù)和加固之前，對(duì)頂板巖體結(jié)構(gòu)的探測(cè)非常重要，而且很有必要。
目前，巖體結(jié)構(gòu)的探測(cè)方法有直接觀察法（該法只適用于巖體結(jié)構(gòu)暴露出來的地方），物探法（包括超聲波法、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)等），鉆孔觀察法（包括巖芯采取法與鉆孔窺視法）。超聲波法通過聲波在某種介質(zhì)中傳播速度的變化和振幅衰減規(guī)律來判斷其結(jié)構(gòu)狀態(tài)，但超聲波傳播距離有限，且在破碎巖體中傳播性能較差。地震波法主要根據(jù)探測(cè)圍巖彈性波縱波波速的差異來劃分巖體結(jié)構(gòu)，但其使用范圍具有局限性，目前在煤礦中不能得到廣泛應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)利用高頻電磁波的反射探測(cè)地下目標(biāo)巖體的結(jié)構(gòu)和位置信息，得到與目標(biāo)巖體相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)圖像，它的最顯著特點(diǎn)是分辨率和識(shí)別率高，可以更加準(zhǔn)確的定位和描繪待測(cè)物體，但其探測(cè)結(jié)果受周圍環(huán)境的影響比較大，例如噪聲、金屬體、頂板的平整程度等。巖芯采取法是通過從鉆孔中取出的巖芯來分析巖體的幾何特性，但當(dāng)頂板巖石比較松軟破碎時(shí)，就會(huì)造成取芯率低，而且得到的巖芯比較短，甚至不規(guī)則，不能通過巖芯確定結(jié)構(gòu)面的位置，更不能準(zhǔn)確地描繪結(jié)構(gòu)面的形態(tài)。鉆孔窺視法是采用鉆孔窺視儀觀測(cè)孔壁內(nèi)結(jié)構(gòu)面的節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，這種方法直觀、有效，可用于煤礦井下大面積的快速觀測(cè)，但是受地質(zhì)條件的影響，鉆孔深度及穩(wěn)定性得到限制。
本文采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合鉆孔窺視的方法聯(lián)合測(cè)定頂板巖體的結(jié)構(gòu)及破壞情況，地質(zhì)雷達(dá)利用電磁波在電性差異分界面的反射形成雷達(dá)波形圖，通過研究電磁波的傳播特性和分析波形圖可初步判斷目標(biāo)巖體的結(jié)構(gòu)異常區(qū)，鉆孔窺視儀利用鉆孔攝像頭將光線轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)，通過輸出的圖像和視頻可判斷巖體破碎及節(jié)理、裂隙的發(fā)育情況。二者的結(jié)合能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育、離層情況，為巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)，保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此，研究頂板裂隙的分布及特征，利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)裂隙帶準(zhǔn)確探測(cè)，對(duì)煤炭資源的合理高效開采和保障煤礦安全生產(chǎn)，都具有十分重要的意義。
1 工程背景
圍巖裂隙測(cè)試點(diǎn)布置在宏泰礦業(yè)一井26B左四片工作面運(yùn)輸平巷中。工作面開采層號(hào)為26B煤，煤層平均厚0. 8m，傾角250，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作面走向長(zhǎng)470m，傾斜長(zhǎng)度60m，平均采深260m。該礦26B工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的基本頂為凝灰質(zhì)砂巖，平均厚度為20m;直接頂以砂質(zhì)頁(yè)巖為主，平均厚度為3m。部分地段出現(xiàn)偽頂中砂巖，厚0.5～1m。26B左四片工作面布置在斷層附近，受構(gòu)造應(yīng)力影響，圍巖裂隙發(fā)育，巖石比較破碎，不利
于巷道支護(hù)和頂板管理。因此，有必要對(duì)巷道頂板結(jié)構(gòu)的破壞情況進(jìn)行實(shí)測(cè)，根據(jù)測(cè)得的結(jié)果來研究分析，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
結(jié)合礦井26B左四片工作面的具體情況，采用地質(zhì)雷達(dá)和鉆孔窺視聯(lián)合測(cè)定其頂板巖體的結(jié)構(gòu)和破壞程度。
2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)分析
2.1地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置。
采用pulse EKKO PRO型防爆地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)破壞的探測(cè)，天線的頻率為100MHz。測(cè)線長(zhǎng)度2. 4m左右，測(cè)線與巷道軸線垂直布置兩條，每條測(cè)線探測(cè)兩次，第一次探測(cè)從左到右，第二次探測(cè)從右到左，測(cè)點(diǎn)間距0. 1m，偏移距離0.1m。采集時(shí)，頂板表面平整度較差，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果有一定的影響。
2.2探測(cè)結(jié)果分析。
地質(zhì)雷達(dá)是利用目標(biāo)體和周圍介質(zhì)之間的電性參數(shù)差異，引起高頻電磁波發(fā)生反射回波，儀器通過接收的反射回波來區(qū)別不同的介質(zhì)和目標(biāo)體，其探測(cè)原理見圖1。圖2為1 *測(cè)點(diǎn)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果形成的波形圖，圖3為1*測(cè)點(diǎn)利用雷達(dá)軟件后期處理形成的時(shí)間剖面圖。
通過圖3，我們可以更加直觀地找出結(jié)構(gòu)異常區(qū)，縱觀整條測(cè)線，在L1時(shí)間點(diǎn)處和L2時(shí)間點(diǎn)處雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生了明顯錯(cuò)動(dòng)并且局部地區(qū)雷達(dá)反射波同相軸缺失。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)回波中不同測(cè)點(diǎn)上同一連續(xù)界面反射波相同相位連接起來的對(duì)比線就是同相軸，同相軸的方向、形狀和強(qiáng)弱等是分析雷達(dá)波形圖的理論依據(jù)。同相軸發(fā)生錯(cuò)動(dòng)可能是因?yàn)榇颂帪槠屏褞Ъ按蟮娘L(fēng)化裂隙或者含水量變化大造成巖層性質(zhì)發(fā)生變化，從而引起電磁波介電差異變大，雷達(dá)反射波不均勻。同相軸局部缺失可能是因?yàn)殡姶挪ㄔ趥鞑ミ^程中遇到了地層裂縫、地層性質(zhì)變化或者裂隙風(fēng)化發(fā)育程度和情況不均衡，由于它們對(duì)雷達(dá)反射波有吸收和衰減作用，往往使得在裂縫、裂隙發(fā)育位置處發(fā)生電磁波能量缺失現(xiàn)象。L1時(shí)間點(diǎn)大約為75ns，L2時(shí)間點(diǎn)大約為130ns，對(duì)比雷達(dá)波形圖找到75ns和130ns處，可以看出此處的波形雜亂，電磁波每傳播一次形成一對(duì)波峰和波谷，波形圖中黑色的代表波峰，白色的代表波谷，一條測(cè)線上波峰與波峰或者波谷與波谷之間的連線相當(dāng)于同相軸的連線。觀測(cè)圖2可知在時(shí)間75ns位置0.7～0.9m處以及時(shí)間130ns位置0. 3～0. 5m處波峰波谷開始發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，沒有了規(guī)律性，代表著此區(qū)域同相軸有繞射、散射現(xiàn)象，而且振幅發(fā)生了明顯變化，可以斷定此處為異常區(qū)域，有可能為破裂帶或裂隙帶。
依據(jù)對(duì)雷達(dá)圖像的解釋原則，巖石結(jié)構(gòu)的異常區(qū)域在圖3中異常位置1處和2處，異常巖體結(jié)構(gòu)反射界面的深度可由式(1)計(jì)算。
式中：H為反射界面深度；t為準(zhǔn)確測(cè)得的雙程旅行時(shí)間；v為電磁波在介質(zhì)傳播中的速度；x射機(jī)與接收機(jī)的間距。
從時(shí)間剖面圖上找到異常區(qū)域的主要位置，確定雙程旅行時(shí)間t1為75ns，t2為130ns。此次探測(cè)的頂板為砂巖或頁(yè)巖，電磁波在其中的傳播速度為0. 12m／ns，而由于頂板上方打了錨桿和錨索，為金屬材質(zhì)，會(huì)對(duì)電磁波有一定的吸收作用，電磁波在金屬體中傳播的速度為0. 017m／ns，根據(jù)介質(zhì)厚度關(guān)系本次計(jì)算其傳播速度定為0. 1m／ns，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的間距為1m。由式(1)可計(jì)算出異常深度為H1=3. 75m,H2 =6. 48m。
圖4為2#測(cè)點(diǎn)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)波形圖，圖5為2*測(cè)點(diǎn)利用雷達(dá)軟件后期處理形成的時(shí)間剖面圖。通過觀察圖5可知在L3時(shí)間點(diǎn)處和L4時(shí)間點(diǎn)處雷達(dá)反射波發(fā)生紊亂，并且局部地區(qū)同相軸缺失。L3時(shí)間點(diǎn)大約為70ns，L4時(shí)間點(diǎn)大約為125ns，對(duì)比雷達(dá)波形圖找到70ns和12 5ns處，在70ns開始波峰波谷連線可看出波峰波谷發(fā)生了明顯的錯(cuò)亂，波峰、波谷的振幅顯著增強(qiáng)且變化大，對(duì)應(yīng)位置0.4～0. 5m處為波峰和波谷錯(cuò)亂的明顯區(qū)域，此區(qū)域很可能是破裂帶或者巖層分層位置。在125ns開始波峰波谷的振幅逐漸變小，能量團(tuán)分布不均勻，電磁波的能量開始衰減且沒有規(guī)律性，對(duì)應(yīng)位置0. 7～0. 8m處為能量缺失比較明顯區(qū)域，此區(qū)域很可能是裂隙帶或裂隙發(fā)育區(qū)。
利用式(1)計(jì)算異常區(qū)域深度，首先確定雙程旅行時(shí)間t3為70ns，t4為125ns，其次v=0.1m／ns，x=1m，最后得H3=3.46m，H4=6.23m。
對(duì)比測(cè)線1和測(cè)線2的結(jié)構(gòu)異常區(qū)域，并且根據(jù)異常深度的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)其異常位置大致相同，其結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證，由此可見地質(zhì)雷達(dá)在井下探測(cè)巖體的結(jié)構(gòu)與破壞是可行的。通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)26B左四片工作面運(yùn)輸巷的頂板測(cè)試可知，在深度3. 5m附近可能有破裂帶或者巖層分層現(xiàn)象，在深度6. 3m附近可能是裂隙發(fā)育區(qū)，巖石破碎及裂隙發(fā)育具體情況還需鉆孔窺視的觀察。
3 鉆孔窺視探測(cè)分析
3.1測(cè)站布置
鉆孔窺視采用的是YTJ-20型巖層探測(cè)儀，可窺視鉆孔的最小直徑為25mm，只要鉆孔深度允許就可以一直地觀測(cè)，信號(hào)不會(huì)減弱，分辨率高。為了能與地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果對(duì)照起來，分別在對(duì)應(yīng)位置布置了2個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站垂直于巷道頂板施工1個(gè)鉆孔，鉆孔位于頂板中部，直徑為30mm，深度為4m，圓環(huán)代表鉆孔窺視測(cè)試點(diǎn)，布置方案見圖6。
3.2窺視結(jié)果分析。
使用鉆孔窺視儀對(duì)1#孔和2#孔頂板裂隙發(fā)育程度進(jìn)行直觀觀測(cè)分析，得到了巖體結(jié)構(gòu)破壞的具體情況并記錄下來，見表1。
為進(jìn)一步說明鉆孔窺視的觀測(cè)結(jié)果，選取了部分代表性的鉆孔窺視圖像，如圖7所示。
1#鉆孔位于26B左四片工作面開口處200m，實(shí)際窺視深度3. 8m。結(jié)合表1可以看出鉆孔在開始階段0. 2m處有碎裂情況，0.2～0. 8m范圍內(nèi)巖體較完整，在1m附近出現(xiàn)了巖層分離，裂隙橫向發(fā)育，1～3.2m范圍內(nèi)巖體基本趨于穩(wěn)定，局部有小范圍的輕微破碎，在孔壁深度3. 5m左右?guī)r體破壞、破碎比較嚴(yán)重，裂縫寬度大于5mm。
2#鉆孔位于26B左四片工作面開口處50m，實(shí)際窺視深度3. 6m。結(jié)合表2可以看出巷道壁后0～0. 8m范圍內(nèi)的巖體伴有大量的裂隙、離層，巖體完整性較差，且在孔深0. 5m左右?guī)r體破碎較嚴(yán)重，0.8～3m范圍內(nèi)巖體基本趨于穩(wěn)定，只有細(xì)小的縱向裂隙存在，在3～3. 3m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的破裂帶，裂隙橫向發(fā)育。受現(xiàn)場(chǎng)條件影響，鉆孔最大深度僅4m，并且打孔后由于地應(yīng)力作用可能導(dǎo)致有些部位塌孔，對(duì)探測(cè)結(jié)果有一定影響。
4綜合分析
地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果表明在頂板深部3. 5m和6. 3m附近同相軸發(fā)生錯(cuò)亂并伴有能量缺失，電磁波在此處發(fā)生了繞射現(xiàn)象，由此可以斷定該附近有可能是破裂帶或巖層分層位置。鉆孔窺視的探測(cè)結(jié)果表明在頂板深部3. 3m附近巖體破碎非常嚴(yán)重，由此可以斷定該處為巖體破裂帶的位置，有頂板離層現(xiàn)象，與地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果基本吻合，并且0～1m范圍內(nèi)局部地區(qū)有輕微的破碎和裂痕存在，裂隙發(fā)育明顯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的頂板特征來看，3. 5～4m的范圍內(nèi)為直接頂與基本頂?shù)膸r層分界線，0.5～1m范圍內(nèi)部分地區(qū)有偽頂，這與地質(zhì)雷達(dá)和鉆孔窺視的探測(cè)結(jié)果能對(duì)照起來，表明探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)到鉆孔達(dá)不到的深度，鉆孔窺視可以對(duì)巖體破碎情況進(jìn)行詳細(xì)描述，所以二者的結(jié)合使用可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，能夠?yàn)橄锏理敯逯ёo(hù)提供理論依據(jù)。
5結(jié) 論
1)通過分析地質(zhì)雷達(dá)波形圖可知結(jié)構(gòu)異常區(qū)域分布在3. 5m和6.3m范圍處，分析鉆孔窺視輸出圖像和巖體破壞探測(cè)記錄得到孔深3. 3m和3.5m附近巖體碎裂嚴(yán)重，由此可以推斷在頂板深3. 5m和6. 3m處有頂板離層現(xiàn)象，需要加強(qiáng)支護(hù)。
2)根據(jù)探測(cè)結(jié)果顯示鉆孔窺視與地質(zhì)雷達(dá)對(duì)頂板離層的位置確定具有一致性，可見采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)頂板巖體的結(jié)構(gòu)與破壞是可行的。
3)采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合鉆孔窺視聯(lián)合測(cè)定頂板的結(jié)構(gòu)及破壞可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)到鉆孔受現(xiàn)場(chǎng)條件限制達(dá)不到的深度，鉆孔窺視可以對(duì)巖體裂隙及破碎情況進(jìn)行精確描述，二者的結(jié)合既可宏觀判斷圍巖裂隙范圍，也可
細(xì)觀觀察圍巖破碎情況及裂隙方向，對(duì)選擇合理的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、保證巷道支護(hù)安全具有重大意義。
