地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢棄礦井探測中的運(yùn)用

何 愛 國

(華東冶金地質(zhì)勘查局物探隊(duì)，安徽 蕪湖 241009)

地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢棄礦井探測中的運(yùn)用

何 愛 國

(華東冶金地質(zhì)勘查局物探隊(duì)，安徽 蕪湖 241009)

針對廢棄礦井對建筑工程施工造成的實(shí)際困境，立足于廢棄礦井探測的實(shí)際，從地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法的探測角度出發(fā)，對這一問題進(jìn)行了分析，指出二者結(jié)合應(yīng)用能夠更加有效的實(shí)現(xiàn)對廢棄礦井的探測任務(wù)。

地質(zhì)雷達(dá)，高密度電法，廢棄礦井，探測

在一些礦產(chǎn)資源較為豐富的地區(qū)，沒有組織和規(guī)劃的濫采濫挖情況十分嚴(yán)重，這種采挖活動(dòng)不僅給國家的礦產(chǎn)資源帶來了嚴(yán)重?fù)p失，同時(shí)也給后繼的建筑規(guī)劃活動(dòng)帶來了不小的影響。為了保證建筑工程的安全，對廢棄礦井的探測活動(dòng)是十分必要的。地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法一個(gè)在淺層地表探測中具有優(yōu)勢，一個(gè)在深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測活動(dòng)中效果顯著，二者的結(jié)合應(yīng)用能夠更加有效的實(shí)現(xiàn)對廢棄礦井的探測任務(wù)。因此對地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢棄礦井探測中的運(yùn)用研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1 探測原理概述

1.1 地質(zhì)雷達(dá)的探測原理分析

地質(zhì)雷達(dá)是在20世紀(jì)70年代產(chǎn)生并廣泛應(yīng)用的地質(zhì)探測形式，其主要的應(yīng)用優(yōu)勢是經(jīng)濟(jì)、無損和便捷，但是在地質(zhì)探測中應(yīng)用的缺陷也是較為明顯的，那就是探測的深度不足。其優(yōu)勢和劣勢特點(diǎn)使其在經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的完善之后逐漸成為淺層地質(zhì)勘探的主要工具，廣泛應(yīng)用于高速公路、機(jī)場、堤壩等對淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)要求較高的建筑領(lǐng)域。從工作原理上看地質(zhì)雷達(dá)與常規(guī)的探空雷達(dá)的作用機(jī)制是一樣的，都是運(yùn)用了電磁波在不同介質(zhì)中變化的原理實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的探測，只不過不同的是探空雷達(dá)主要以空氣為介質(zhì)，而地質(zhì)雷達(dá)以土壤為介質(zhì)。通常情況下地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)由兩部雷達(dá)組成，一部是信號(hào)的發(fā)送雷達(dá)T，一部是信號(hào)的接收雷達(dá)R。在實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)接收雷達(dá)向目標(biāo)地區(qū)發(fā)送電磁波，電磁波在均勻地質(zhì)結(jié)構(gòu)中向下傳播，當(dāng)電磁波遇到地下價(jià)值分界層時(shí)絕大部分電磁波會(huì)發(fā)生反射，反射的電磁波由接收雷達(dá)接收，連貫的電磁波探測信號(hào)會(huì)形成連貫的目標(biāo)區(qū)域探測數(shù)據(jù)，具體工作機(jī)制如圖1所示。由于電磁波在不同的介質(zhì)結(jié)構(gòu)中會(huì)顯示出不同的傳播特質(zhì)，所以以信號(hào)的接收時(shí)間為基礎(chǔ)對發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行對比，就能夠形成對目標(biāo)區(qū)域的理性認(rèn)識(shí)。

1.2 高密度電法探測原理分析

高密度電法是以巖石土體的導(dǎo)線性能為基礎(chǔ)形成的地質(zhì)勘探方法，高密度電法的勘測系統(tǒng)主要由放電裝置、電纜、智能開關(guān)、處理分析設(shè)備等組成，在實(shí)際應(yīng)用中以放電裝置布置到探測區(qū)域地表，與地面形成一個(gè)完整的電力連通回路，并進(jìn)行相應(yīng)的放電作業(yè)，由于巖石土壤的導(dǎo)電性差異，不同區(qū)域內(nèi)的巖石土壤和結(jié)構(gòu)差異會(huì)造成不同的電阻，在等流情況下會(huì)形成不同的電壓差異，通過高密度的連續(xù)探測活動(dòng)能夠形成對一定區(qū)域不同層次地質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性認(rèn)識(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)際能夠?qū)ο鄳?yīng)的巖石和土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷，對地下的采空區(qū)等特殊地質(zhì)環(huán)境的判斷也極為敏銳。同時(shí)因?yàn)楦呙芏入姺ㄖ饕噪娏髟趲r石土壤中的導(dǎo)通率為巖石土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的判斷依據(jù)，所以原則上不受地質(zhì)分界層的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)對深度較大區(qū)域的探測。本次探測活動(dòng)中采用工作儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的wGMD-1高密度電阻率測量系統(tǒng)。其特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、信噪比高，數(shù)據(jù)采集重現(xiàn)性好[1]。根據(jù)實(shí)際情況，本次電法工作采用溫納裝置。探測設(shè)備結(jié)構(gòu)和布置方式如圖2所示。

2 探測礦井區(qū)域概述

本文以××省××市郊區(qū)的某建筑場地內(nèi)的廢氣礦井為實(shí)測目標(biāo)，對地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢氣礦井探測活動(dòng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行實(shí)證分析。這一區(qū)域在建筑開發(fā)之前屬于耕地，并有一個(gè)小型磚廠，地勢中間低四周略高是平原地形中的小型凹地，建筑工程規(guī)劃在這一區(qū)域建設(shè)一個(gè)大型住宅小區(qū)，建筑規(guī)劃面積達(dá)到2萬m2，因規(guī)劃范圍內(nèi)有一個(gè)小型廢棄礦井，所以在建筑工程進(jìn)入實(shí)質(zhì)性規(guī)劃之前需要對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行探測，以保證建筑施工的安全。通過鉆孔勘探的形式對這一區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要分析，認(rèn)為區(qū)域探測深度內(nèi)共存在五個(gè)土層結(jié)構(gòu)，分別是素填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粘土和強(qiáng)風(fēng)化層[2]。

3 地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢棄礦井探測中的應(yīng)用

為了保證探測活動(dòng)對廢棄礦井的有效發(fā)現(xiàn)和探測，在探測工作開始之前，探測主體走訪了當(dāng)時(shí)的礦主，對這一廢棄礦井的基本情況進(jìn)行了了解，據(jù)介紹，這一礦井是小型礦井，主要由一個(gè)豎井、一個(gè)水平巷道和一個(gè)礦石堆放區(qū)組成。其中豎井直徑約為2 m，深度約為30 m；巷道高1.8 m，寬2 m，長67 m，埋藏深度為30 m左右；礦石堆放區(qū)位于巷道頂端高約7 m，長、寬均為5 m。由于這一礦井當(dāng)初屬于違建，所以在建成之初就被炸毀填平，具體位置已經(jīng)無從尋找，但是礦主還是憑借記憶為探測隊(duì)伍指出了礦井的大體方位，縮小了探測的范圍[3]。

3.1 探測方案的選擇

1)豎井的探測。豎井位置的探測對廢棄礦井的定位工作極為重要，只要找到相應(yīng)的廢棄礦井入口就能夠?qū)崿F(xiàn)對礦井基本結(jié)構(gòu)的描繪，相應(yīng)的巷道和礦石堆放區(qū)探測定位的難度也會(huì)降低。所以探測工作首先從豎井的探測開始，由于豎井是在地面延伸到地下，所以只需要找到相應(yīng)的豎井井口 就基本可以確定豎井的位置。由于當(dāng)初這一礦井是被炸毀填平，所以其淺層地表的回填土壤必然會(huì)與原生土壤之間存在一定的差異，所以選擇使用地質(zhì)雷達(dá)作為探測工具，以15m×15m的探測區(qū)域?yàn)閱挝皇褂肞ulseEKKO-1000型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行豎井井口的探測[4]。

2)巷道和礦石堆放區(qū)的探測。在成功實(shí)現(xiàn)對豎井井口的定位以后，以豎井井口為圓心，以巷道的長度30 m為半徑設(shè)置巷道和礦石堆放區(qū)的探測系統(tǒng)，由于巷道和礦石堆放區(qū)的埋藏深度較大，所以在探測活動(dòng)中使用高密度電法作為探測工具，探測系統(tǒng)主要圍繞豎井的井口布置，首先沿著豎井的垂直方向布置三條測線，對地下巷道的走向進(jìn)行探測，在完成走向探測后，基本可以確定巷道的走向和深度，再在相應(yīng)的地面上布置高密度電法探測系統(tǒng)，由于巷道埋深近30 m，故測線長確定為240 m，布置電極60個(gè)，極距4 m，這樣可確保探測深度超過巷道底板[5]。

3.2 探測結(jié)果與分析

對地質(zhì)雷達(dá)的探測結(jié)果進(jìn)行分析可以明顯看出，在地下36 m左右有一處巖石土壤結(jié)構(gòu)明顯不同的區(qū)域，在標(biāo)高31 m的位置巖石土壤結(jié)構(gòu)存在明顯的上翹現(xiàn)象，通過對比度分析可以得知這一上翹區(qū)域的寬度大概為2 m。與礦主的描述相印證可以判斷為豎井的井口，而這一上翹部位的下部也就是豎井和巷道的連接處。這在后期的挖掘探測中也得到了證實(shí)，證明地質(zhì)雷達(dá)在廢棄礦井的探測活動(dòng)中，對豎井的探測有較好的效果。

通過對高密度電法的探測結(jié)果分析，在標(biāo)高30 m的位置可以明顯看到一段電阻值的變化曲線，基本可以斷定是廢棄礦井的巷道，巷道底板埋深36 m，參考高度為12 m，寬約10 m。同時(shí)探測結(jié)果還顯示有溢出近似矩形的閉合電阻值曲線，與地質(zhì)雷達(dá)的探測結(jié)果相印證，基本可以斷定是礦石堆放區(qū)，這一區(qū)域的頂板距離地面24 m左右[6]。

根據(jù)探測結(jié)果建筑工程的高層建筑避過了這一區(qū)域，廢棄礦井存在的位置被規(guī)劃成為一處綠化用地，可以說地質(zhì)雷達(dá)及高密度電法在廢棄礦井探測中的運(yùn)用，幫助建筑工程躲過了廢棄礦井的安全威脅，保證了建筑工程的施工和建筑安全。

4 結(jié)語

在礦產(chǎn)資源較為豐富的地區(qū)，大量存在的廢棄礦井成為建筑工程施工的重大安全威脅，不僅會(huì)嚴(yán)重危害建筑施工的安全，也會(huì)給建筑規(guī)劃活動(dòng)造成嚴(yán)重的損失，因此對地質(zhì)雷達(dá)及高密度電法在廢棄礦井探測中運(yùn)用的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。本文從地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法探測原理分析、廢棄礦井介紹和地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢棄礦井探測中的運(yùn)用三個(gè)層面對這一問題進(jìn)行了簡要分析，以期為地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在廢棄礦井探測中的運(yùn)用水平提升提供支持和借鑒。

[1] 阿發(fā)友.高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在斷層及溶洞探測中的應(yīng)用[D].貴陽：貴州大學(xué),2008.

[2] 張長雷.探地雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用研究[D].合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院,2012.

[3] 張 輝.地質(zhì)雷達(dá)在加油站滲漏污染監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].上海：東華大學(xué),2013.

[4] 劉科偉.露天開采隱患空區(qū)激光三維探測、可視化研究及其穩(wěn)定性分析[D].長沙：中南大學(xué),2012.

[5] 趙 偉.高密度電法在煤層底板破壞規(guī)律中的應(yīng)用研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué),2010.

[6] 李勇峰.深圳大運(yùn)中心場地巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué),2013.

Application of GPR and HDRT in abandoned mine detection

He Aiguo

(TeamofMaterialDetection,EastChinaMetallurgyGeologySurveyBureau,Wuhu241009,China)

In light of actual building engineering construction difficulties owing to abandoned mine, based on the abandoned mine detecting conditions, starting from aspects of GPR and HDRT detecting angle, the paper analyzes the problem, and finally points out that: their combination application can realize abandoned mine detecting task efficiently.

Ground Penetrating Radar(GPR), High Density Resistivity method(HDRT), abandoned mine, detect

2015-03-07

何愛國(1973- )，男，工程師

1009-6825(2015)14-0081-02

P631

A