探地雷達在采空區上方地裂縫的應用

倪建宇

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院 北京 100083)

引言

神東礦區某煤礦12401工作面在大采高、高速推進的過程中不可避免的會造成地面塌陷、地裂縫，誘發地質災害，使采煤塌陷區土地產生不同程度沙漠化，植被受到破壞[1]，嚴重時甚至導致采空區與外界空氣連通，觸發采空區煤層自燃，威脅礦山機電設備和生產人員的安全，造成空氣污染。因此有必要查明該地區采煤地裂縫分布及其發育規律。

目前可探查的多為出露的地表裂縫，而事實上在地表下方一定區域還存在大量隱伏地裂縫，這些隱伏地裂縫一部分包括未擴展到地表的地裂縫，另一部分包括早期擴展到地表，但由于該地區上覆松散層較厚且未固結，經過一段時間自然愈合或被植物覆蓋，在地表難以識別的地裂縫。傳統對于地裂縫的調查方法主要有人工調查、無人機攝影測量和InSAR地面沉降監測等手段，對地表可見裂縫調查效果明顯，但這些方法都難以觀測到隱伏地裂縫，因此有必要采用合理的物探手段對一些隱伏地裂縫進行探測。

探地雷達廣泛應用于管線探測[2]、道路檢測[3]等方面，也應用于估算砂壤中的含水率[4]，同時由于探地雷達對監測較小構造的具有較高的靈敏性，也被應用于探查壩體裂縫[5]。基于探地雷達可以較為精細的探測淺地表范圍內(0-6m)的結構情況，可有效地探查隱伏地裂縫，故研究通過使用探地雷達(包括GR-IV型探地雷達和SIR-4000地質雷達)聯合勘探對地表以下裂縫進行探測，通過地質雷達對縱向延伸較淺的裂縫進行探測，分析該礦超大工作面采空區上方地裂縫的地球物理響應特征及影響范圍。

一、探地雷達勘探

(一)探地雷達勘探原理

探地雷達是一種高頻脈沖電磁波探測技術，利用主頻為數十兆赫至千兆赫(106-109Hz)波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發射天線(T)發送至地下，經地下目標體或地層的界面反射后返回地面，由接收天線(R)接收。

探地雷達能夠判識地下異常體，是由于地下不同介質在介電常數、磁導率以及電導率等方面存在差異，造成雷達反射回波出現異常并被記錄，在處理過程中形成雷達探測剖面。剖面上的波形正負峰值分別以灰階或彩色表示，通過同相軸或等灰度線、等色線形象地表征出地下目標的異常情況。

(二)儀器選擇

本次探測使用GR-IV型雷達主機以及200MHz自激自收式天線(一體式)共同搭配構成的探測系統和GSSI SIR-4000型地質雷達主機以及400MHz自激自收式天線(一體式)搭配構成的探測系統共同進行探測。

1.GR-IV型探地雷達系統

GR-IV型探地雷達系統的硬件主要由一體化主機、高頻信號線、電源線、供電電池、輔助配件等幾部分組成。GR-IV型探地雷達主機采用顯示系統與控制單元的一體化設計，方便攜帶和使用。鍵盤采用薄膜防水防塵設計，增加了觸摸屏，操作簡單，便于用戶野外操作。

GR-IV型探地雷達系統主要技術參數

掃描速度：≥100KHz脈沖頻率

采樣點數：128-4096可選

時間窗范圍：5-2000ns

數據采集方式：單點采集、連續采集、測距輪控制采集

天線系統：

中心頻率：200MHz

最大探測深度：10m

2.GSSI SIR-4000型地質雷達系統

SIR-4000型雷達硬件主要包括主機，電纜，天線及其他配件等幾部分組成。

SIR-4000型探地雷達系統主要技術參數

數據采集：

發射率：高可至800KHZ

采樣點數/掃描：256,512,1024,2048,4096,8192,16384

掃描速率：最高可達400掃描/秒

操作方式：連續測量(時間)、距離測量(測量輪)、點測

時間范圍：0-20000納秒

(三)雷達數據處理流程

采集的探地雷達數據需經過信號處理，才能獲得細節較好便于判斷的剖面圖。資料處理首先是去除干擾提取有效信號，其次是提取干擾信號，從而設法將提取的干擾信號進行相位取反疊加到原始信號上，從而達到去噪目的。探地雷達干擾信號很多且復雜，需要進行多種方法的綜合處理，才能有效提高信噪比。具體流程如下：

圖1-1 雷達數據處理流程

根據此次探測場地實際地質條件，處理流程按照“零線設定”—“背景去躁”—“時窗樣點壓縮”—“一維FIR濾波”—“小波變換”—“增益控制”進行，在處理過程中根據實際采集情況設定處理參數，部分剖面還進行了“滑動平均”處理，保證雷達剖面的解釋分辨率。

二、實際應用

(一)試驗區域概況

本井田位于鄂爾多斯高原東部，其總的地形特征呈西北高、東南低的斜坡狀。最高處位于西北部b284號鉆孔附近，海拔標高為1298.90m，最低處位于爾力古灣黑炭溝溝口，海拔標高為1095m。一般標高在1100-1200m之間。

井田受毛烏素沙漠影響，地大部分被風積積沙覆蓋。地形復雜，溝谷縱橫，多為向源侵蝕，延展方向基本為NW-SE向，且主溝兩側的支溝特別發育，呈樹枝狀分布。在東部，風積沙呈波狀及新月形沙丘地貌。

(二)測線設計

根據該煤礦采煤沉陷區的分布情況，此次共布置了五條測線。測線總體布置在工作面的正上方，全方位研究工作面上方不同區域地裂縫的延展發育情況。其中L1測線探測采煤延伸方向所在直線工作面內外的裂縫，L2測線作為輔助測線，主要沿正北方向探測裂縫，起到聯系各條側線的作用，L3測線沿著切眼方向對發育在切眼上方裂縫的進行探測，L4、L5測線布置在工作面正上方，主要對回風順槽、膠帶運輸順槽和軌道運輸順槽上方的裂縫進行探測，其中L4、L5測線部分重合通過這五條測線共同對地表及隱伏在地表以下的裂縫進行探測，研究其地球物理響應特征及影響范圍。

圖2-1 測線布置圖

(三)測線設計

1.SIR-4000型探地雷達探測剖面

雷達剖面在L1測線40-50m段、165-178m段、180-190m段、195-205m段、275-285m段、395-405m段，L2測線25-35m段、47-55m段、193-208m段、231-240m段，L3測線140-150m段、255-265m段、352-362m段、435-445m段，L4+L5測線9-20m段、125-135m段、225-235m段、361-372m、395-405m段、495-505m段范圍內產生同相軸錯斷現象，并具有較強的松散層反射響應(如圖2-2 a～d)。判斷地下產生介質疏松、不密實導致的氣相組分增加現象。

(a)L1測線180-190m段雷達剖面 (b)L2測線193-208m段雷達剖面

(a)L1測線雷達探測結果剖面

2.GR-IV型探地雷達探測剖面

在雷達剖面中，L1測線在30-70m段、150-155m段、165-178m段、180-190m段、195-205m段、205-225m段、230-245m段、275-285m段、395-415m段，L3測線在30-45m段、75-90m段、110-125m段、140-150m段、165-170m段、185-215m段、255-265m段、300-310m段、320-325m段、335-345m段、352-362m段、398-403m段、410-425m段、435-445m段、480-495m段(圖中藍色標記)范圍內，產生同相軸錯斷現象，有較強松散層反射響應。其中在L1測線40-50m段、165-178m段、180-190m段、275-285m段、395-405m段，L3測線140-150m段、255-265m段、352-362m段、435-445m段雷達剖面異常與SIR-4000雷達剖面異常位置出現重合。

3.雷達剖面解釋

經過查閱資料以及實地踏勘發現：地下介質疏松異常為原采煤沉降而形成的裂縫，后自然閉合而產生的土壤不密實現象。故可將此種雷達剖面異常解釋為地裂縫。

經地質雷達探測，具體地裂縫不同發育深度統計如下表：

表2-1 裂縫發育深度統計表

三、裂縫分布范圍

經過探地雷達的勘探，采煤沉陷裂縫水平投影如圖。綠色細線即為裂縫主要的分布位置。

圖3-1 裂縫發育水平投影圖

四、結論

(1)通過探地雷達的勘探裂縫異常響應進行了識別與解釋，基本圈定了12401綜采面上方地表的隱伏地裂縫分布范圍。(2)通過對探測所獲得的結果分析發現：地表裂縫主要分布在采煤下沉盆地的邊緣及中心位置，在巷道切眼的正上方地表及盆底區發育密度最大。(3)探地雷達勘探對地下開采形成的地表可見地裂縫和隱伏地裂縫都有著較好響應，能夠對不同深度的裂縫及發育趨勢進行探測，可有效探查地裂縫。