应用地质雷达和钻孔窥视研究顶板裂隙分布规律

郝传波，张帅帅，肖福坤，李　岩

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150027；2.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027；3.七台河宝泰隆煤化工股份有限公司，黑龙江 七台河 154600)

应用地质雷达和钻孔窥视研究顶板裂隙分布规律

郝传波1，张帅帅2，肖福坤1，李岩3

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150027；2.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027；3.七台河宝泰隆煤化工股份有限公司，黑龙江 七台河 154600)

摘要：为了测定顶板岩体的结构及破坏情况，给巷道顶板支护设计提供可靠的理论依据。结合现场的实际情况，采用pulseEKKO PRO型地质雷达和钻孔窥视联合测定顶板裂隙分布规律，充分发挥地质雷达探测与钻孔窥视的优势互补作用。钻孔窥视可直观反映顶板岩体的不连续面(如层理、节理、裂隙)，受现场条件影响最大钻孔深度仅4m；地质雷达精确探测距离为0～10m，可延伸至钻孔窥视盲区，对围岩裂隙不能精确描述。监测结果表明：通过分析地质雷达波形图可知结构异常区域分布在3.5m和6.3m范围内，分析钻孔窥视输出图像得到孔壁3.5m附近岩体破碎、破坏较严重，对比分析可以确定此处有顶板离层现象。由此可见，用地质雷达探测顶板岩体的结构及破坏是可行的，二者的结合既可宏观判断围岩裂隙范围，也可细观观察围岩破碎情况及裂隙方向。

关键词：围岩裂隙；地质雷达；钻孔窥视；围岩支护；电磁波

近些年，随着煤矿开采深度不断增加，地质条件越来越复杂，矿压显现愈加明显，导致巷道支护的难度逐渐加大，随之产生的顶板灾害问题也更加突出。虽然顶板灾害不像瓦斯爆炸、透水、冲击地压造成大规模的重大安全事故，其发生的频率却是煤矿灾害中最多的，如何控制巷道的顶板稳定性已经成为制约矿井安全生产的技术难题之一[1-4]。特别是在巷道施工和维护中，因巷道顶板岩体内部含有各种的不连续面，如层理、节理、裂隙等，这些不连续面的存在明显改变了岩体的强度特征和变形特征，使岩体的强度显著降低。因此，在巷道进行支护和加固之前，对顶板岩体结构的探测非常重要，而且很有必要。

目前，岩体结构的探测方法有直接观察法(该法只适用于岩体结构暴露出来的地方)，物探法(包括超声波法、地震波法、地质雷达等)，钻孔观察法(包括岩芯采取法与钻孔窥视法)[5]。超声波法通过声波在某种介质中传播速度的变化和振幅衰减规律来判断其结构状态，但超声波传播距离有限，且在破碎岩体中传播性能较差[6]。地震波法主要根据探测围岩弹性波纵波波速的差异来划分岩体结构，但其使用范围具有局限性，目前在煤矿中不能得到广泛应用[7]。地质雷达利用高频电磁波的反射探测地下目标岩体的结构和位置信息，得到与目标岩体相对应的雷达图像，它的最显著特点是分辨率和识别率高，可以更加准确的定位和描绘待测物体，但其探测结果受周围环境的影响比较大，例如噪声、金属体、顶板的平整程度等[8-10]。岩芯采取法是通过从钻孔中取出的岩芯来分析岩体的几何特性，但当顶板岩石比较松软破碎时，就会造成取芯率低，而且得到的岩芯比较短，甚至不规则，不能通过岩芯确定结构面的位置，更不能准确地描绘结构面的形态。钻孔窥视法是采用钻孔窥视仪观测孔壁内结构面的节理、裂隙发育情况，这种方法直观、有效，可用于煤矿井下大面积的快速观测，但是受地质条件的影响，钻孔深度及稳定性得到限制[11-13]。

本文采用地质雷达结合钻孔窥视的方法联合测定顶板岩体的结构及破坏情况，地质雷达利用电磁波在电性差异分界面的反射形成雷达波形图，通过研究电磁波的传播特性和分析波形图可初步判断目标岩体的结构异常区，钻孔窥视仪利用钻孔摄像头将光线转变成电子信号，通过输出的图像和视频可判断岩体破碎及节理、裂隙的发育情况。二者的结合能发挥其优势互补作用，可以及时准确地了解岩体内部裂隙发育、离层情况，为巷道顶板支护设计提供可靠的理论依据，保持巷道围岩的稳定性。因此，研究顶板裂隙的分布及特征，利用地质雷达探测技术对裂隙带准确探测，对煤炭资源的合理高效开采和保障煤矿安全生产，都具有十分重要的意义。

1工程背景

围岩裂隙测试点布置在宏泰矿业一井26B左四片工作面运输平巷中。工作面开采层号为26B煤，煤层平均厚0.8m，倾角25°，煤层结构简单。工作面走向长470m，倾斜长度60m，平均采深260m。该矿26B工作面运输巷和回风巷的基本顶为凝灰质砂岩，平均厚度为20m；直接顶以砂质页岩为主，平均厚度为3m。部分地段出现伪顶中砂岩，厚0.5～1m。26B左四片工作面布置在断层附近，受构造应力影响，围岩裂隙发育，岩石比较破碎，不利

于巷道支护和顶板管理。因此，有必要对巷道顶板结构的破坏情况进行实测，根据测得的结果来研究分析，对支护参数进行优化。

结合矿井26B左四片工作面的具体情况，采用地质雷达和钻孔窥视联合测定其顶板岩体的结构和破坏程度。

2地质雷达探测分析

2.1地质雷达测线布置。

采用pulseEKKO PRO型防爆地质雷达进行岩体结构破坏的探测，天线的频率为100MHz。测线长度2.4m左右，测线与巷道轴线垂直布置两条，每条测线探测两次，第一次探测从左到右，第二次探测从右到左，测点间距0.1m，偏移距离0.1m。采集时，顶板表面平整度较差，对数据结果有一定的影响。

2.2探测结果分析。

地质雷达是利用目标体和周围介质之间的电性参数差异，引起高频电磁波发生反射回波，仪器通过接收的反射回波来区别不同的介质和目标体，其探测原理见图1。图2为1#测点地质雷达探测结果形成的波形图，图3为1#测点利用雷达软件后期处理形成的时间剖面图。

图1　雷达探测原理示意图

通过图3，我们可以更加直观地找出结构异常区，纵观整条测线，在L1时间点处和L2时间点处雷达反射波同相轴发生了明显错动并且局部地区雷达反射波同相轴缺失。对地质雷达回波中不同测点上同一连续界面反射波相同相位连接起来的对比线就是同相轴，同相轴的方向、形状和强弱等是分析雷达波形图的理论依据。同相轴发生错动可能是因为此处为破裂带及大的风化裂隙或者含水量变化大造成岩层性质发生变化，从而引起电磁波介电差异变大，雷达反射波不均匀。同相轴局部缺失可能是因为电磁波在传播过程中遇到了地层裂缝、地层性质变化或者裂隙风化发育程度和情况不均衡，由于它们对雷达反射波有吸收和衰减作用，往往使得在裂缝、裂隙发育位置处发生电磁波能量缺失现象。L1时间点大约为75ns，L2时间点大约为130ns，对比雷达波形图找到75ns和130ns处，可以看出此处的波形杂乱，电磁波每传播一次形成一对波峰和波谷，波形图中黑色的代表波峰，白色的代表波谷，一条测线上波峰与波峰或者波谷与波谷之间的连线相当于同相轴的连线。观测图2可知在时间75ns位置0.7～0.9m处以及时间130ns位置0.3～0.5m处波峰波谷开始发生错动，没有了规律性，代表着此区域同相轴有绕射、散射现象，而且振幅发生了明显变化，可以断定此处为异常区域，有可能为破裂带或裂隙带。

依据对雷达图像的解释原则，岩石结构的异常区域在图3中异常位置1处和2处，异常岩体结构反射界面的深度可由式(1)计算。

(1)

式中：H为反射界面深度；t为准确测得的双程旅行时间；v为电磁波在介质传播中的速度；x为发射机与接收机的间距。

从时间剖面图上找到异常区域的主要位置，确定双程旅行时间t1为75ns，t2为130ns。此次探测的顶板为砂岩或页岩，电磁波在其中的传播速度为0.12m/ns，而由于顶板上方打了锚杆和锚索，为金属材质，会对电磁波有一定的吸收作用，电磁波在金属体中传播的速度为0.017m/ns，根据介质厚度关系本次计算其传播速度定为0.1m/ns，发射机与接收机的间距为1m。由式(1)可计算出异常深度为H1=3.75m，H2=6.48m。

图2　1#测点地质雷达探测波形图

图3　1#测点地质雷达时间剖面图

图4为2#测点地质雷达探测波形图，图5为2#测点利用雷达软件后期处理形成的时间剖面图。通过观察图5可知在L3时间点处和L4时间点处雷达反射波发生紊乱，并且局部地区同相轴缺失。L3时间点大约为70ns，L4时间点大约为125ns，对比雷达波形图找到70ns和125ns处，在70ns开始波峰波谷连线可看出波峰波谷发生了明显的错乱，波峰、波谷的振幅显著增强且变化大，对应位置0.4～0.5m处为波峰和波谷错乱的明显区域，此区域很可能是破裂带或者岩层分层位置。在125ns开始波峰波谷的振幅逐渐变小，能量团分布不均匀，电磁波的能量开始衰减且没有规律性，对应位置0.7～0.8m处为能量缺失比较明显区域，此区域很可能是裂隙带或裂隙发育区。

利用式(1)计算异常区域深度，首先确定双程旅行时间t3为70ns，t4为125ns，其次v=0.1m/ns，x=1m，最后得H3=3.46m，H4=6.23m。

对比测线1和测线2的结构异常区域，并且根据异常深度的计算结果，可以发现其异常位置大致相同，其结果的准确性得到了验证，由此可见地质雷达在井下探测岩体的结构与破坏是可行的。通过地质雷达对26B左四片工作面运输巷的顶板测试可知，在深度3.5m附近可能有破裂带或者岩层分层现象，在深度6.3m附近可能是裂隙发育区，岩石破碎及裂隙发育具体情况还需钻孔窥视的观察。

3钻孔窥视探测分析

3.1测站布置

钻孔窥视采用的是YTJ-20型岩层探测仪，可窥视钻孔的最小直径为25mm，只要钻孔深度允许就可以一直地观测，信号不会减弱，分辨率高。为了能与地质雷达的探测结果对照起来，分别在对应位置布置了2个测站，每个测站垂直于巷道顶板施工1个钻孔，钻孔位于顶板中部，直径为30mm，深度为4m，圆环代表钻孔窥视测试点，布置方案见图6。

图4　2#测点地质雷达探测波形图

图5　2#测点地质雷达时间剖面图

图6　钻孔窥视测站布置示意图

3.2窥视结果分析。

使用钻孔窥视仪对1#孔和2#孔顶板裂隙发育程度进行直观观测分析，得到了岩体结构破坏的具体情况并记录下来，见表1。

为进一步说明钻孔窥视的观测结果，选取了部分代表性的钻孔窥视图像，如图7所示。

1#钻孔位于26B左四片工作面开口处200m，实际窥视深度3.8m。结合表1可以看出钻孔在开始阶段0.2m处有碎裂情况，0.2～0.8m范围内岩体较完整，在1m附近出现了岩层分离，裂隙横向发育，1～3.2m范围内岩体基本趋于稳定，局部有小范围的轻微破碎，在孔壁深度3.5m左右岩体破坏、破碎比较严重，裂缝宽度大于5mm。

2#钻孔位于26B左四片工作面开口处50m，实际窥视深度3.6m。结合表2可以看出巷道壁后0～0.8m范围内的岩体伴有大量的裂隙、离层，岩体完整性较差，且在孔深0.5m左右岩体破碎较严重，0.8～3m范围内岩体基本趋于稳定，只有细小的纵向裂隙存在，在3～3.3m范围内出现明显的破裂带，裂隙横向发育。受现场条件影响，钻孔最大深度仅4m，并且打孔后由于地应力作用可能导致有些部位塌孔，对探测结果有一定影响。

表1　岩体结构及破坏观测记录

图7　钻孔窥视图像

4综合分析

地质雷达的探测结果表明在顶板深部3.5m和6.3m附近同相轴发生错乱并伴有能量缺失，电磁波在此处发生了绕射现象，由此可以断定该附近有可能是破裂带或岩层分层位置。钻孔窥视的探测结果表明在顶板深部3.3m附近岩体破碎非常严重，由此可以断定该处为岩体破裂带的位置，有顶板离层现象，与地质雷达的探测结果基本吻合，并且0～1m范围内局部地区有轻微的破碎和裂痕存在，裂隙发育明显。根据现场提供的顶板特征来看，3.5～4m的范围内为直接顶与基本顶的岩层分界线，0.5～1m范围内部分地区有伪顶，这与地质雷达和钻孔窥视的探测结果能对照起来，表明探测结果的准确性。综上所述，地质雷达可以探测到钻孔达不到的深度，钻孔窥视可以对岩体破碎情况进行详细描述，所以二者的结合使用可以发挥其优势互补作用，能够为巷道顶板支护提供理论依据。

5结论

1)通过分析地质雷达波形图可知结构异常区域分布在3.5m和6.3m范围处，分析钻孔窥视输出图像和岩体破坏探测记录得到孔深3.3m和3.5m附近岩体碎裂严重，由此可以推断在顶板深3.5m和6.3m处有顶板离层现象，需要加强支护。

2)根据探测结果显示钻孔窥视与地质雷达对顶板离层的位置确定具有一致性，可见采用地质雷达探测顶板岩体的结构与破坏是可行的。

3)采用地质雷达结合钻孔窥视联合测定顶板的结构及破坏可以充分发挥其优势互补作用，地质雷达可以探测到钻孔受现场条件限制达不到的深度，钻孔窥视可以对岩体裂隙及破碎情况进行精确描述，二者的结合既可宏观判断围岩裂隙范围，也可

细观观察围岩破碎情况及裂隙方向，对选择合理的支护方式及支护参数设计、保证巷道支护安全具有重大意义。

参考文献

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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

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51374097)；中国博士后科学基金第56批面上项目资助(编号：2014M561384)

作者简介：郝传波(1962-)，男，黑龙江宁安人，教授，博士，研究方向为矿山应急救援。E-mail：haochuanbo@126.com。 通讯作者：张帅帅(1990-)，男，山东济宁人，硕士研究生，攻读黑龙江科技大学采矿工程专业。E-mail：348381721@qq.com。

中图分类号：TD325

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0095-05