地質雷達在燕子山煤礦突水通道探測中的應用

王吉廳

(霍州煤電集團 呂臨能化煤電，山西 臨縣 033200)

隨著煤礦人員安全意識的提高和防治水工作的推進，雖然煤礦水害發生的頻率下降，然而我國煤礦企業的水害形勢依然不容樂觀[1]. 在我國華北地區，導致煤礦發生突水事故的主要水源有老空積水和底板奧灰承壓水兩種，其中引發水害的突水通道主要為斷裂構造，其次為陷落柱構造。因此，在煤礦開采過程中確定斷裂在井下的空間位置，對預防斷層構造導致突水事故的發生至關重要。此外，確定斷層的位置，可為礦山工作面避開斷層，降低采礦成本提供保障。

近幾十年以來地質雷達(GPR)技術發展迅速，已成為探測構造、水體和其他異常體的重要物探方法[2,3]. 其與地震勘探方法相似，不僅技術成熟而且成本低，操作方便。GPR探測技術可以識別地下潛水位、城市地下管道、防空洞、巖溶空洞、煤層及構造等，應用非常普遍。地質雷達的探測深度取決于其天線發射頻率以及地質體的電磁特性，因為信號在地質介質傳播時衰減較快，其探測深度往往有限，通常隨著發生頻率的變化，測深從幾米到幾十米不等[4]，因此其主要適用于淺部地質體的探測。

1 礦井地質背景

燕子山井田位于大同煤田的西北部，礦區內賦存的地層從古至新主要有太古界集寧群、早古生代寒武系和奧陶系、晚古生代石炭系和二疊系、中生界侏羅系和白堊系、新生界新近系和第四系?？刹擅簩又饕x存于太原組、山西組和大同組，現礦區內大同組煤層已經開采完畢，形成大面積的采空區，采空區內常有積水，在開采下部山西組煤層時，上覆采空區成為礦井水害的主要水源之一。煤系地層下伏寒武系巖溶含水層富水性良好，水位標高介于1 120～1 230 m，而現主采煤層山4#煤底板標高介于943～1 020 m，因此該巖溶水屬于承壓水，是礦井水害的另一個主要水源。

燕子山井田位于大同向斜的西翼，井田內表現為一走向北東，傾向南東的單斜構造。井田內斷層構造較發育，地表出露且斷距較大的斷層有9條，主要發育在燕子山井田西北部、西部(圖1). 斷層是構造應力區，在斷層附近，由于裂隙發育，煤層頂底板破碎，成為礦井突水的通道。

圖1 礦區構造綱要圖

2 地質雷達技術原理及對突水通道的探測

目前，地質雷達技術在各方面的應用比較廣泛，有關其理論介紹的文獻也較多[5]. 地質雷達技術的原理如下：

地質雷達技術原理與地震勘探技術相似，通過天線向地質體發射脈沖式高頻電磁波，脈沖波到達電磁性質差異較大的兩種地質體界面時發射，接收器接受反射信號，從而得到發射-反射的時距曲線，通過對采集數據的處理，可確定地質異常體界面的空間位置。地質體界面測深距離與脈沖波在介質中的傳播速度有關，因此在獲得時距曲線時需要確定脈沖波在介質中的傳播速度。該傳播速度可以通過實驗或者資料對比獲得。通過相鄰礦區的資料對比和對該礦區的實驗研究，確定了脈沖波在不同傳播介質中的傳播速度，見表1.

礦井突水的涌水通道主要是指斷層構造，其次是節理破碎帶和陷落柱。斷層兩側巖層因發生位移，使巖性不同的巖石沿斷層面直接接觸，使得斷層面兩側的巖石介電性質不同，當脈沖波遇到這一界面時發生反射，從而可以用來確定斷層的位置。然而地質雷達的反射界面較多，需要依據波形特征來識別斷層。前人通過對斷層破碎帶的雷達波形態進行總結，認為“錯段、分叉、合并等現象”為斷層引起，其波形連續性差、電磁波能量衰減快、波幅變化大，波形雜亂[6]，因此可以根據上述特征在地質雷達相關圖上識別出斷層。

表1 脈沖波在介質中的傳播速度表[5]

燕子山井田目前開采山4#煤層，為了布置工作面，進行巷道掘進，理論上在掘進巷道前方可遇到斷層F6(圖2)，因此需要在斷層處預留安全煤柱。對斷層導水情況進行了電鉆超前探測，但在電鉆穿過斷層的理論位置時，并未發現任何異常，即理論位置上未見斷層出現，因此需要確定斷層的位置。為確定斷層在巷道水平上的實際位置，本次采用配置100 MHz天線的地質雷達在巷道內沿水平方向進行地質雷達探測。

圖2 燕子山井田地質雷達布置及示意圖

3 測點布置和數據采集與處理

沿掘進巷道布置兩條測線，每條測線均為兩測回。打開該地質雷達的發射天線開關發射脈沖信號，打開主機開關接受水平方向的反射信號，開始采集數據。對探測現場的數據進行紀錄，包括有效信號和干擾信號，以便后續數據處理。在室內對地質雷達數據進行處理，處理過程和地震勘探方法相似，需要排除干擾信號增強有效信號，提高信噪比。

4 探測結果分析

通過計算機軟件對數據處理后，需要對異常體做出合理的解釋。由于煤礦地質環境復雜，地質雷達信號受到周圍電線和支架的干擾較為嚴重，因此采用時間剖面對地質界面進行解譯，以提高資料解釋的準確度。經過室內數據處理后，得到解譯成果圖(圖3). 從圖3可以看出，探測巷道前方10～15 m處圍巖回波波形凌亂，同向軸連續性差，多處反射波被圍巖吸收強烈，是由于斷層面兩盤的巖性不同導致的電磁物性差異較大，使得高頻脈沖波在穿過界面時發生較強的反射能量，且形成的波形幅值較大。在脈沖波穿過斷層破碎帶時，表現出波形比較雜亂，能量衰減快的特征，以上特征符合斷層引起的一般特征，可以進一步確定其為斷層。探測結果表明，礦區內F6斷層在掘進巷道北側10～16 m出現。該F6斷層在理論位置北側的10 m左右出現，可能是斷層面向地下延伸時產狀發生變化引起的。

圖3 地質雷達解譯成果圖

5 結 論

針對燕子山煤礦山4#煤層巷道掘進前方斷層的位置存在不確定性，利用地質雷達技術測出在巷道水平前方10～15 m處出現典型的斷層特征脈沖信號波形特征，確定了斷層的位置。地質雷達在斷層導水通道方面的探測成本低且高效，建議在礦區推廣使用，以確定其他斷層構造的空間位置。該技術為礦山工作面的合理布置提供了依據，為礦山導水通道的位置確定提供了方法依據。