地质雷达在燕子山煤矿突水通道探测中的应用

王吉厅

(霍州煤电集团 吕临能化煤电，山西 临县 033200)

随着煤矿人员安全意识的提高和防治水工作的推进，虽然煤矿水害发生的频率下降，然而我国煤矿企业的水害形势依然不容乐观[1]. 在我国华北地区，导致煤矿发生突水事故的主要水源有老空积水和底板奥灰承压水两种，其中引发水害的突水通道主要为断裂构造，其次为陷落柱构造。因此，在煤矿开采过程中确定断裂在井下的空间位置，对预防断层构造导致突水事故的发生至关重要。此外，确定断层的位置，可为矿山工作面避开断层，降低采矿成本提供保障。

近几十年以来地质雷达(GPR)技术发展迅速，已成为探测构造、水体和其他异常体的重要物探方法[2,3]. 其与地震勘探方法相似，不仅技术成熟而且成本低，操作方便。GPR探测技术可以识别地下潜水位、城市地下管道、防空洞、岩溶空洞、煤层及构造等，应用非常普遍。地质雷达的探测深度取决于其天线发射频率以及地质体的电磁特性，因为信号在地质介质传播时衰减较快，其探测深度往往有限，通常随着发生频率的变化，测深从几米到几十米不等[4]，因此其主要适用于浅部地质体的探测。

1 矿井地质背景

燕子山井田位于大同煤田的西北部，矿区内赋存的地层从古至新主要有太古界集宁群、早古生代寒武系和奥陶系、晚古生代石炭系和二叠系、中生界侏罗系和白垩系、新生界新近系和第四系。可采煤层主要赋存于太原组、山西组和大同组，现矿区内大同组煤层已经开采完毕，形成大面积的采空区，采空区内常有积水，在开采下部山西组煤层时，上覆采空区成为矿井水害的主要水源之一。煤系地层下伏寒武系岩溶含水层富水性良好，水位标高介于1 120～1 230 m，而现主采煤层山4#煤底板标高介于943～1 020 m，因此该岩溶水属于承压水，是矿井水害的另一个主要水源。

燕子山井田位于大同向斜的西翼，井田内表现为一走向北东，倾向南东的单斜构造。井田内断层构造较发育，地表出露且断距较大的断层有9条，主要发育在燕子山井田西北部、西部(图1). 断层是构造应力区，在断层附近，由于裂隙发育，煤层顶底板破碎，成为矿井突水的通道。

图1 矿区构造纲要图

2 地质雷达技术原理及对突水通道的探测

目前，地质雷达技术在各方面的应用比较广泛，有关其理论介绍的文献也较多[5]. 地质雷达技术的原理如下：

地质雷达技术原理与地震勘探技术相似，通过天线向地质体发射脉冲式高频电磁波，脉冲波到达电磁性质差异较大的两种地质体界面时发射，接收器接受反射信号，从而得到发射-反射的时距曲线，通过对采集数据的处理，可确定地质异常体界面的空间位置。地质体界面测深距离与脉冲波在介质中的传播速度有关，因此在获得时距曲线时需要确定脉冲波在介质中的传播速度。该传播速度可以通过实验或者资料对比获得。通过相邻矿区的资料对比和对该矿区的实验研究，确定了脉冲波在不同传播介质中的传播速度，见表1.

矿井突水的涌水通道主要是指断层构造，其次是节理破碎带和陷落柱。断层两侧岩层因发生位移，使岩性不同的岩石沿断层面直接接触，使得断层面两侧的岩石介电性质不同，当脉冲波遇到这一界面时发生反射，从而可以用来确定断层的位置。然而地质雷达的反射界面较多，需要依据波形特征来识别断层。前人通过对断层破碎带的雷达波形态进行总结，认为“错段、分叉、合并等现象”为断层引起，其波形连续性差、电磁波能量衰减快、波幅变化大，波形杂乱[6]，因此可以根据上述特征在地质雷达相关图上识别出断层。

表1 脉冲波在介质中的传播速度表[5]

燕子山井田目前开采山4#煤层，为了布置工作面，进行巷道掘进，理论上在掘进巷道前方可遇到断层F6(图2)，因此需要在断层处预留安全煤柱。对断层导水情况进行了电钻超前探测，但在电钻穿过断层的理论位置时，并未发现任何异常，即理论位置上未见断层出现，因此需要确定断层的位置。为确定断层在巷道水平上的实际位置，本次采用配置100 MHz天线的地质雷达在巷道内沿水平方向进行地质雷达探测。

图2 燕子山井田地质雷达布置及示意图

3 测点布置和数据采集与处理

沿掘进巷道布置两条测线，每条测线均为两测回。打开该地质雷达的发射天线开关发射脉冲信号，打开主机开关接受水平方向的反射信号，开始采集数据。对探测现场的数据进行纪录，包括有效信号和干扰信号，以便后续数据处理。在室内对地质雷达数据进行处理，处理过程和地震勘探方法相似，需要排除干扰信号增强有效信号，提高信噪比。

4 探测结果分析

通过计算机软件对数据处理后，需要对异常体做出合理的解释。由于煤矿地质环境复杂，地质雷达信号受到周围电线和支架的干扰较为严重，因此采用时间剖面对地质界面进行解译，以提高资料解释的准确度。经过室内数据处理后，得到解译成果图(图3). 从图3可以看出，探测巷道前方10～15 m处围岩回波波形凌乱，同向轴连续性差，多处反射波被围岩吸收强烈，是由于断层面两盘的岩性不同导致的电磁物性差异较大，使得高频脉冲波在穿过界面时发生较强的反射能量，且形成的波形幅值较大。在脉冲波穿过断层破碎带时，表现出波形比较杂乱，能量衰减快的特征，以上特征符合断层引起的一般特征，可以进一步确定其为断层。探测结果表明，矿区内F6断层在掘进巷道北侧10～16 m出现。该F6断层在理论位置北侧的10 m左右出现，可能是断层面向地下延伸时产状发生变化引起的。

图3 地质雷达解译成果图

5 结 论

针对燕子山煤矿山4#煤层巷道掘进前方断层的位置存在不确定性，利用地质雷达技术测出在巷道水平前方10～15 m处出现典型的断层特征脉冲信号波形特征，确定了断层的位置。地质雷达在断层导水通道方面的探测成本低且高效，建议在矿区推广使用，以确定其他断层构造的空间位置。该技术为矿山工作面的合理布置提供了依据，为矿山导水通道的位置确定提供了方法依据。