應用地質雷達和鉆孔窺視研究頂板裂隙分布規律

郝傳波，張帥帥，肖福坤，李　巖

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150027；2.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027；3.七臺河寶泰隆煤化工股份有限公司，黑龍江 七臺河 154600)

應用地質雷達和鉆孔窺視研究頂板裂隙分布規律

郝傳波1，張帥帥2，肖福坤1，李巖3

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150027；2.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027；3.七臺河寶泰隆煤化工股份有限公司，黑龍江 七臺河 154600)

摘要：為了測定頂板巖體的結構及破壞情況，給巷道頂板支護設計提供可靠的理論依據。結合現場的實際情況，采用pulseEKKO PRO型地質雷達和鉆孔窺視聯合測定頂板裂隙分布規律，充分發揮地質雷達探測與鉆孔窺視的優勢互補作用。鉆孔窺視可直觀反映頂板巖體的不連續面(如層理、節理、裂隙)，受現場條件影響最大鉆孔深度僅4m；地質雷達精確探測距離為0～10m，可延伸至鉆孔窺視盲區，對圍巖裂隙不能精確描述。監測結果表明：通過分析地質雷達波形圖可知結構異常區域分布在3.5m和6.3m范圍內，分析鉆孔窺視輸出圖像得到孔壁3.5m附近巖體破碎、破壞較嚴重，對比分析可以確定此處有頂板離層現象。由此可見，用地質雷達探測頂板巖體的結構及破壞是可行的，二者的結合既可宏觀判斷圍巖裂隙范圍，也可細觀觀察圍巖破碎情況及裂隙方向。

關鍵詞：圍巖裂隙；地質雷達；鉆孔窺視；圍巖支護；電磁波

近些年，隨著煤礦開采深度不斷增加，地質條件越來越復雜，礦壓顯現愈加明顯，導致巷道支護的難度逐漸加大，隨之產生的頂板災害問題也更加突出。雖然頂板災害不像瓦斯爆炸、透水、沖擊地壓造成大規模的重大安全事故，其發生的頻率卻是煤礦災害中最多的，如何控制巷道的頂板穩定性已經成為制約礦井安全生產的技術難題之一[1-4]。特別是在巷道施工和維護中，因巷道頂板巖體內部含有各種的不連續面，如層理、節理、裂隙等，這些不連續面的存在明顯改變了巖體的強度特征和變形特征，使巖體的強度顯著降低。因此，在巷道進行支護和加固之前，對頂板巖體結構的探測非常重要，而且很有必要。

目前，巖體結構的探測方法有直接觀察法(該法只適用于巖體結構暴露出來的地方)，物探法(包括超聲波法、地震波法、地質雷達等)，鉆孔觀察法(包括巖芯采取法與鉆孔窺視法)[5]。超聲波法通過聲波在某種介質中傳播速度的變化和振幅衰減規律來判斷其結構狀態，但超聲波傳播距離有限，且在破碎巖體中傳播性能較差[6]。地震波法主要根據探測圍巖彈性波縱波波速的差異來劃分巖體結構，但其使用范圍具有局限性，目前在煤礦中不能得到廣泛應用[7]。地質雷達利用高頻電磁波的反射探測地下目標巖體的結構和位置信息，得到與目標巖體相對應的雷達圖像，它的最顯著特點是分辨率和識別率高，可以更加準確的定位和描繪待測物體，但其探測結果受周圍環境的影響比較大，例如噪聲、金屬體、頂板的平整程度等[8-10]。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，但當頂板巖石比較松軟破碎時，就會造成取芯率低，而且得到的巖芯比較短，甚至不規則，不能通過巖芯確定結構面的位置，更不能準確地描繪結構面的形態。鉆孔窺視法是采用鉆孔窺視儀觀測孔壁內結構面的節理、裂隙發育情況，這種方法直觀、有效，可用于煤礦井下大面積的快速觀測，但是受地質條件的影響，鉆孔深度及穩定性得到限制[11-13]。

本文采用地質雷達結合鉆孔窺視的方法聯合測定頂板巖體的結構及破壞情況，地質雷達利用電磁波在電性差異分界面的反射形成雷達波形圖，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巖體的結構異常區，鉆孔窺視儀利用鉆孔攝像頭將光線轉變成電子信號，通過輸出的圖像和視頻可判斷巖體破碎及節理、裂隙的發育情況。二者的結合能發揮其優勢互補作用，可以及時準確地了解巖體內部裂隙發育、離層情況，為巷道頂板支護設計提供可靠的理論依據，保持巷道圍巖的穩定性。因此，研究頂板裂隙的分布及特征，利用地質雷達探測技術對裂隙帶準確探測，對煤炭資源的合理高效開采和保障煤礦安全生產，都具有十分重要的意義。

1工程背景

圍巖裂隙測試點布置在宏泰礦業一井26B左四片工作面運輸平巷中。工作面開采層號為26B煤，煤層平均厚0.8m，傾角25°，煤層結構簡單。工作面走向長470m，傾斜長度60m，平均采深260m。該礦26B工作面運輸巷和回風巷的基本頂為凝灰質砂巖，平均厚度為20m；直接頂以砂質頁巖為主，平均厚度為3m。部分地段出現偽頂中砂巖，厚0.5～1m。26B左四片工作面布置在斷層附近，受構造應力影響，圍巖裂隙發育，巖石比較破碎，不利

于巷道支護和頂板管理。因此，有必要對巷道頂板結構的破壞情況進行實測，根據測得的結果來研究分析，對支護參數進行優化。

結合礦井26B左四片工作面的具體情況，采用地質雷達和鉆孔窺視聯合測定其頂板巖體的結構和破壞程度。

2地質雷達探測分析

2.1地質雷達測線布置。

采用pulseEKKO PRO型防爆地質雷達進行巖體結構破壞的探測，天線的頻率為100MHz。測線長度2.4m左右，測線與巷道軸線垂直布置兩條，每條測線探測兩次，第一次探測從左到右，第二次探測從右到左，測點間距0.1m，偏移距離0.1m。采集時，頂板表面平整度較差，對數據結果有一定的影響。

2.2探測結果分析。

地質雷達是利用目標體和周圍介質之間的電性參數差異，引起高頻電磁波發生反射回波，儀器通過接收的反射回波來區別不同的介質和目標體，其探測原理見圖1。圖2為1#測點地質雷達探測結果形成的波形圖，圖3為1#測點利用雷達軟件后期處理形成的時間剖面圖。

圖1　雷達探測原理示意圖

通過圖3，我們可以更加直觀地找出結構異常區，縱觀整條測線，在L1時間點處和L2時間點處雷達反射波同相軸發生了明顯錯動并且局部地區雷達反射波同相軸缺失。對地質雷達回波中不同測點上同一連續界面反射波相同相位連接起來的對比線就是同相軸，同相軸的方向、形狀和強弱等是分析雷達波形圖的理論依據。同相軸發生錯動可能是因為此處為破裂帶及大的風化裂隙或者含水量變化大造成巖層性質發生變化，從而引起電磁波介電差異變大，雷達反射波不均勻。同相軸局部缺失可能是因為電磁波在傳播過程中遇到了地層裂縫、地層性質變化或者裂隙風化發育程度和情況不均衡，由于它們對雷達反射波有吸收和衰減作用，往往使得在裂縫、裂隙發育位置處發生電磁波能量缺失現象。L1時間點大約為75ns，L2時間點大約為130ns，對比雷達波形圖找到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，一條測線上波峰與波峰或者波谷與波谷之間的連線相當于同相軸的連線。觀測圖2可知在時間75ns位置0.7～0.9m處以及時間130ns位置0.3～0.5m處波峰波谷開始發生錯動，沒有了規律性，代表著此區域同相軸有繞射、散射現象，而且振幅發生了明顯變化，可以斷定此處為異常區域，有可能為破裂帶或裂隙帶。

依據對雷達圖像的解釋原則，巖石結構的異常區域在圖3中異常位置1處和2處，異常巖體結構反射界面的深度可由式(1)計算。

(1)

式中：H為反射界面深度；t為準確測得的雙程旅行時間；v為電磁波在介質傳播中的速度；x為發射機與接收機的間距。

從時間剖面圖上找到異常區域的主要位置，確定雙程旅行時間t1為75ns，t2為130ns。此次探測的頂板為砂巖或頁巖，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，會對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，根據介質厚度關系本次計算其傳播速度定為0.1m/ns，發射機與接收機的間距為1m。由式(1)可計算出異常深度為H1=3.75m，H2=6.48m。

圖2　1#測點地質雷達探測波形圖

圖3　1#測點地質雷達時間剖面圖

圖4為2#測點地質雷達探測波形圖，圖5為2#測點利用雷達軟件后期處理形成的時間剖面圖。通過觀察圖5可知在L3時間點處和L4時間點處雷達反射波發生紊亂，并且局部地區同相軸缺失。L3時間點大約為70ns，L4時間點大約為125ns，對比雷達波形圖找到70ns和125ns處，在70ns開始波峰波谷連線可看出波峰波谷發生了明顯的錯亂，波峰、波谷的振幅顯著增強且變化大，對應位置0.4～0.5m處為波峰和波谷錯亂的明顯區域，此區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，能量團分布不均勻，電磁波的能量開始衰減且沒有規律性，對應位置0.7～0.8m處為能量缺失比較明顯區域，此區域很可能是裂隙帶或裂隙發育區。

利用式(1)計算異常區域深度，首先確定雙程旅行時間t3為70ns，t4為125ns，其次v=0.1m/ns，x=1m，最后得H3=3.46m，H4=6.23m。

對比測線1和測線2的結構異常區域，并且根據異常深度的計算結果，可以發現其異常位置大致相同，其結果的準確性得到了驗證，由此可見地質雷達在井下探測巖體的結構與破壞是可行的。通過地質雷達對26B左四片工作面運輸巷的頂板測試可知，在深度3.5m附近可能有破裂帶或者巖層分層現象，在深度6.3m附近可能是裂隙發育區，巖石破碎及裂隙發育具體情況還需鉆孔窺視的觀察。

3鉆孔窺視探測分析

3.1測站布置

鉆孔窺視采用的是YTJ-20型巖層探測儀，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，信號不會減弱，分辨率高。為了能與地質雷達的探測結果對照起來，分別在對應位置布置了2個測站，每個測站垂直于巷道頂板施工1個鉆孔，鉆孔位于頂板中部，直徑為30mm，深度為4m，圓環代表鉆孔窺視測試點，布置方案見圖6。

圖4　2#測點地質雷達探測波形圖

圖5　2#測點地質雷達時間剖面圖

圖6　鉆孔窺視測站布置示意圖

3.2窺視結果分析。

使用鉆孔窺視儀對1#孔和2#孔頂板裂隙發育程度進行直觀觀測分析，得到了巖體結構破壞的具體情況并記錄下來，見表1。

為進一步說明鉆孔窺視的觀測結果，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，實際窺視深度3.8m。結合表1可以看出鉆孔在開始階段0.2m處有碎裂情況，0.2～0.8m范圍內巖體較完整，在1m附近出現了巖層分離，裂隙橫向發育，1～3.2m范圍內巖體基本趨于穩定，局部有小范圍的輕微破碎，在孔壁深度3.5m左右巖體破壞、破碎比較嚴重，裂縫寬度大于5mm。

2#鉆孔位于26B左四片工作面開口處50m，實際窺視深度3.6m。結合表2可以看出巷道壁后0～0.8m范圍內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左右巖體破碎較嚴重，0.8～3m范圍內巖體基本趨于穩定，只有細小的縱向裂隙存在，在3～3.3m范圍內出現明顯的破裂帶，裂隙橫向發育。受現場條件影響，鉆孔最大深度僅4m，并且打孔后由于地應力作用可能導致有些部位塌孔，對探測結果有一定影響。

表1　巖體結構及破壞觀測記錄

圖7　鉆孔窺視圖像

4綜合分析

地質雷達的探測結果表明在頂板深部3.5m和6.3m附近同相軸發生錯亂并伴有能量缺失，電磁波在此處發生了繞射現象，由此可以斷定該附近有可能是破裂帶或巖層分層位置。鉆孔窺視的探測結果表明在頂板深部3.3m附近巖體破碎非常嚴重，由此可以斷定該處為巖體破裂帶的位置，有頂板離層現象，與地質雷達的探測結果基本吻合，并且0～1m范圍內局部地區有輕微的破碎和裂痕存在，裂隙發育明顯。根據現場提供的頂板特征來看，3.5～4m的范圍內為直接頂與基本頂的巖層分界線，0.5～1m范圍內部分地區有偽頂，這與地質雷達和鉆孔窺視的探測結果能對照起來，表明探測結果的準確性。綜上所述，地質雷達可以探測到鉆孔達不到的深度，鉆孔窺視可以對巖體破碎情況進行詳細描述，所以二者的結合使用可以發揮其優勢互補作用，能夠為巷道頂板支護提供理論依據。

5結論

1)通過分析地質雷達波形圖可知結構異常區域分布在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記錄得到孔深3.3m和3.5m附近巖體碎裂嚴重，由此可以推斷在頂板深3.5m和6.3m處有頂板離層現象，需要加強支護。

2)根據探測結果顯示鉆孔窺視與地質雷達對頂板離層的位置確定具有一致性，可見采用地質雷達探測頂板巖體的結構與破壞是可行的。

3)采用地質雷達結合鉆孔窺視聯合測定頂板的結構及破壞可以充分發揮其優勢互補作用，地質雷達可以探測到鉆孔受現場條件限制達不到的深度，鉆孔窺視可以對巖體裂隙及破碎情況進行精確描述，二者的結合既可宏觀判斷圍巖裂隙范圍，也可

細觀觀察圍巖破碎情況及裂隙方向，對選擇合理的支護方式及支護參數設計、保證巷道支護安全具有重大意義。

參考文獻

[1]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[2]毛德兵，尹希文，張會軍.我國煤礦頂板災害防治與監測監控技術[J].煤炭科學技術，2013(9)：105-108.

[3]肖福坤，孫豁然.深井巷道圍巖穩定性分析[J].中國礦業，2008，17(5)：97-99.

[4]連清望，宋選民，顧鐵鳳.礦井頂板失穩及來壓預警的數學模型及應用[J].采礦與安全工程學報，2011，28(4)：517-523.

[5]孫輝，李桂臣，衛英豪，等.物探法結合鉆孔窺視在巖體結構探測中的應用[J].煤礦安全，2014，45(4)：141-144.

[6]劉東，姜永官.超聲波圍巖裂隙探測儀及其應用[J].煤礦自動化，1997(1)：48-50.

[7]趙文曙，邵佩林，劉海東，等.基于礦井地震波法的地質超前預報技術研究應用[J].中國礦業，2012，21(S1)：465-469.

[8]伍永平，翟錦，解盤石，等.基于地質雷達探測技術的巷道圍巖松動圈測定[J].煤炭科學技術，2013，41(03)：32-38.

[9]劉傳孝，蔣金泉，楊永杰，等.國內外探地雷達技術的比較與分析[J].煤炭學報，2002，27(2)：123-127.

[10]張金才，茹瑞典.地質雷達在煤礦井下的應用研究[J].煤炭學報，1995，20(5)：479-484.

[11]康紅普，司林坡，蘇波.煤巖體鉆孔結構觀測方法及應用[J].煤炭學報，2010(12)：3-10.

[12]牟宗龍，竇林名，張廣文，等.堅硬頂板型沖擊礦壓災害防治研究[J].中國礦業大學學報，2006，35(6)：737-741.

[13]司林坡.全景鉆孔窺視儀在水壓致裂法地應力測試中的應用[J].煤礦開采，2011，16(2)：97-101.

Study on the distribution law of roof cracks by using geological radar and borehole peep

HAO Chuan-bo1，ZHANG Shuai-shuai2，XIAO Fu-kun1，LI Yan3

(1.Heilongjiang Ground Pressure and Gas Control in Deep Mining Key Lab,Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150027，China；2.College of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150027，China；3.Precious Tyrone Qitaihe Coal Chemical Co.,Ltd.,Qitaihe 154600，China)

Abstract:In order to determine the structure and damage of the roof rock mass，we combine the pulse EKKO PRO geological radar and the borehole peep to determine the distribution law of the roof cracks，which make full use of complementary advantages of geological radar and the borehole peep，which provides a reliable theoretical basis for the design of roadway roof support.Borehole peep can reflect the discontinuity surface of the roof rock mass(such as bedding，joints，cracks)，but the maximum drilling depth is only 4m because of site condition.The accurate detection range of geological radar is 0-10m，so it can be extended to the place where the borehole peep cannot reach，but it cannot accurately describe the fracture of surrounding rock.The results show：we can see that the structural abnormalities area is distributed in the range of 3.5m and 6.3m from the geological radar waveform.We know that the rock near the wall hole of 3.5m is serious damaged from the borehole peep image.So we can determine there is roof separation.Thus，it is feasible to detect the structure and failure of the roof rock mass by using the geological radar.The combination of two methods can not only judge the scope of surrounding rock fracture in macroscopic，but also observe the breaking situation of the surrounding rock and the direction of fracture form the micro level.

Key words：surrounding rock crack；geological radar；borehole peep；surrounding rock support；electromagnetic wave

收稿日期：2015-11-12

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51374097)；中國博士后科學基金第56批面上項目資助(編號：2014M561384)

作者簡介：郝傳波(1962-)，男，黑龍江寧安人，教授，博士，研究方向為礦山應急救援。E-mail：haochuanbo@126.com。 通訊作者：張帥帥(1990-)，男，山東濟寧人，碩士研究生，攻讀黑龍江科技大學采礦工程專業。E-mail：348381721@qq.com。

中圖分類號：TD325

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0095-05