煤矿复杂地质条件下超前预报技术探析

煤矿复杂地质条件下超前预报技术探析

杨华燊

（遵义市桐梓县工业和能源局，贵州省  遵义市）

摘 要：山东郭庄煤矿正在掘进皮带机头通道及下平巷，巷道平距全长为1263m。巷道通过区域水文地质条件复杂。为了减小水害等不良地质体对施工的影响，保证掘进工作可以安全按时完成，应用地质雷达对掘进工作面前方的地质情况进行超前地质预报。经过与实际开挖情况对比证明了地质雷达对该类地质情况巷道施工预报的可靠性，对同类工程具有借鉴意义。

关键词：煤矿巷道；水文地质条件复杂；地质雷达；可靠性

0 引 言

矿区内地表水系发育，地质情况复杂。地质雷达作为一种成熟的超前地质预报方法与手段，具有数据采集快、对含水地质体的分辨率高、并且可以做到无损检测的特点。目前该探测技术已经在大量的工程中得到应用，并取得了良好的效果。本文以郭庄煤矿正在掘进巷道为工程背景，利用地质雷达对该区段进行超前探测，并结合实际开挖情况对探测效果进行分析，得到在该类型地质条件下地质雷达对富水情况预报的可靠性，以期为同类型地质条件的工程施工提供参考借鉴。

1 探测区段富水情况

郭庄煤矿区内奥灰与区外前震旦系变质岩接触，形成以阻水边界为主，但在东北部为补给边界的边界条件。西界断层，落差>2000m，西降东升，区内石炭二叠系与区外新生界接触，形成弱补给边界。北界正断层，落差>2000m，北升南降，南界断层，落差大于1000m，北升南降，区内奥灰与区外上二叠统或上侏罗统地层在深部接触，为阻水边界。综上所述，本区为三面阻水，一面弱补给的水文地质单元。

2 探测原理及图像分析

2.1地质雷达探测原理

地质雷达法（GPR）是利用电磁波探测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，已确定其位置和形态的一种物探技术。工作原理是通过发射天线发射的电磁波，到达目标体后会有部分反射和部分透射，反射回来的电磁波被接收天线所接收，主机将接收到的数据储存形成时域波形图。

电磁波的传播取决于岩体的电性（电导率和介电常数），其中由公式（1）可知，介电常数决定了电磁波的传播速度：

（1）

式中，v为波的传播速度；c为光在真空中传播的速度；εr为电磁波在介质中的介电常数。

由式（1）得到的传播速度可计算出目标体距离掌子面的距离：

（2）

式中，Z为探测体到开挖面的距离；t为波从发出到接受的时间；L为发射线与接收线距离。

电磁波在介质差异界面会发生反射，发生反射时的反射系数为R，其与介电常数间的关系为：

（3）

式中，R为波在差异介质界面的反射系数；ε1为前面介质的介电常数；ε2后面介质的介电常数。

由公式（1）和（2）可以推测出目标体的性质和距离，由公式（3）可知上下两层介质的介电常数差越大发射系数就越大，相应的地质雷达对目标体的探测效果也就越好。

由于水的介电常数比岩石等要大得多，根据常见含水率的经验公式Roth公式、Topp公式、Ferre公式以及Alharathio公式，随着含水率的增加，介电常数越大，接收到的反射波越明显。同时隧道围岩是固、液、汽的结合体，所以含水地质体更容易被探测。

2.2图像分析

地质雷达图像反应的是地下介质的电性分布特征，在进行最终分析时需要将设备导出图转换为相应的地质情况，完整岩体、岩溶、水体以及破碎带等地质体与地质雷达图像之间的特征关系。

3 工程实例

3.1工程概况

本次掘进巷道为皮带机头通道及下平巷，巷道平距约1263m。掘进巷道穿越范围内断层数量较多、地质构造复杂；根据以往的勘查结果显示地下水发育，主要以裂隙水、基岩裂隙水以及岩溶裂隙水为主，在生产过程中发现实际受水害的影响也比较大。

3.2探测方案

本次探测选用意大利IDS型地质雷达，屏蔽天线80MHz，对掘进巷道前方30m范围内进行超前地质预报。论文以其中3次探测为例进行分析，每次探测均布置一条测线，测线长度5m，探测时工作天线由左至右，测线布置如图1所示，

图2雷达测线布置图

3.3效果对比分析

由于该区域地层富水，并且根据近年来的勘探情况显示地下水构成复杂，因此在探测过程中为了提高探测准确性，每次探测只取探测成果的前20m作为有效数据进行分析。3次探测成果图如图4所示。

（1）0～20m范围内探测成果与开挖情况对比

掌子面前方3～16m范围内电磁波反射波波形杂乱、振幅比较高且宽、同向轴错段、能量异常衰减。开挖掌子面比较湿润，巷道底板中心有水流出；推断该区段岩体节理裂隙发育、岩体破碎、岩溶水比较发育、发育位置应集中在巷道中间部位。

实际揭露过程中5～12m范围内岩溶水发育，并且出现了小溶蚀性空洞，围岩自稳能力较差。实际含水范围在预报水体异常范围内，定性判断比较准确。

（2）20～40m范围内探测成果与开挖情况对比

掘进工作面前方4～16m范围内波形杂乱无序、振幅高宽、能量衰减异常、分布不均匀、同向轴连续性差；结合掌子面情况推断岩体破碎情况较差、接力裂隙发育、巷道左侧岩溶水水发育。

实际揭露过程中在6～16m范围内岩溶水发育，其中在9～13m区段含水量较大，拱顶出现了淋雨现象，巷道左侧富水情况明显高于右侧巷道。实际含水范围在预报水体异常范围内，定性判断比较准确。

（3）40～60m范围内探测成果与开挖情况对比

在工作面前方4～20m范围内地质雷达回波杂乱，振幅整体较强、同向轴连续性较差。推测该区段可能有溶蚀性裂隙发育、裂隙水发育、岩体比较破碎、自然条件下开挖时可能有掉块现象。

实际揭露过程中在整个探测范围内岩体比较破碎、节理裂隙发育、在6～15m范围内巷道中下部有溶蚀性裂隙出现，含水量较小。实际含水范围在预报水体异常范围内，定性判断比较准确。

4 结论

（1）经分析，地质雷达预报结果与探测区段实际地质情况吻合度较高，对含水异常体的预报效果比较明显，可以为该类型巷道施工提供有效的工程指导。

（2）利用地质雷达超前地质预报技术可以对含水构造定性判断的特点，可以利用地质雷达指导超前水平钻探，对探测到的含水异常体区域作为施钻的重点区域，提高钻探的准确性。

（3）地质雷达对不良地质体的预报也和其他超前地质预报技术有相同的弊端，只能在一定程度上对施工区段做定性判断，不能做到定量分析。

做到定量分析。

参考文献

［1］彭家陞.地质雷达技术在岩土工程勘察中的应用[J].世界有色金属,2018(06):243-244.

［2］杜添. 基于地质雷达的米仓山隧道超前地质预报应用研究[D].西南石油大学,2017.

［3］苏涛,侯俊敏,车立刚.探地雷达在岩溶区隧道超前地质预报中的应用研究[J].公路工程,2018,43(04):53-56.

［4］巫克霖,温春桥,蒋庆彬.探地雷达在地质复杂环境下对富水区的超前预报[J].工程勘察,2016,44(10):66-71.

［5］黄霄寒.综合物探技术在隧道岩溶超前预报中的应用研究[D].成都:成都理工大学,2016.

［6］李术才,刘斌,孙怀凤,聂利超,钟世航,苏茂鑫,李貅,许振浩.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014,33(06):1090-1113.

作者简介：杨华燊，男，汉族，1991年9月出生，贵州桐梓人，研究生学历，2020年6月毕业于贵州大学