基于便携式地质雷达的巷道围岩松动圈探测

徐世达，陈治洋，雷 刚

(东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点试验室，辽宁 沈阳 110819)

松动圈理论最早由采矿专家提出，20世纪70年代逐渐发展完善，并在最近十几年得到了广泛应用[1-2]。井下巷道的开挖不可避免地打破了原有的应力平衡状态，产生应力集中现象，当集中应力大于岩体强度时，岩体发生破坏，应力集中向岩体深处转移，直至达到应力平衡状态，巷道周围形成的破裂带即为松动圈。松动圈是矿山巷道支护设计的重要依据。因此，准确确定巷道围岩松动圈对于降低支护成本、保障矿山安全具有重要意义。

目前，常用的巷道围岩松动圈测试方法主要有声波法、多点位移计法、电阻率法、地质雷达法、钻孔摄像法等，但声波法、多点位移计法、钻孔摄像法等需要钻孔，在局部区域测量围岩松动圈时得到了广泛应用，尤其是声波法，但很难大面积推广[2]。地质雷达法是近二十年发展起来的新方法，具有分辨率高、快速、经济、灵活方便的优点，在隧道工程和矿山工程中得到了广泛应用。

杨永杰等[3]采用地质雷达探测了华丰矿巷道围岩松动圈，并优化了巷道围岩锚杆设计；姜德义等[2]采用地质雷达研究了地质偏压隧道围岩松动圈分布变化规律，揭示了隧道围岩破坏模式和初衬开裂原因，并提出了治理措施；蒋邦友等[4]依据探地雷达松动圈探测机理，确定了围岩松动圈范围，据此对巷道支护方案进行了优化；伍永平等[5]基于巷道围岩松动圈雷达探测结果，改进了巷道断面形状，实现了巷道围岩稳定性控制；齐彪等[6]基于地质雷达探测和围岩物理力学性质试验结果，制定了巷道围岩稳定综合分类表与巷道支护方案选择标准；舒忠磊等[7]采用地质雷达对荆西隧道围岩松动圈进行了探测，揭示了突水突泥灾害对围岩松动圈的影响；曹树刚等[8]基于巷道松动圈雷达测试和围岩破坏3DEC模拟，优化了巷道支护方案；宋宏伟等[9]基于地质雷达揭示了巷道断面不同部位松动圈厚度的差异；陈秋南等[10]通过隧道围岩松动圈雷达探测频谱分析，确定了隧道松动圈范围；郭亮等[11]采用地质雷达研究了偏压隧道围岩松动圈分布特征，为隧道的支护、施工提供了技术支持。

本文采用SSP地质雷达测试与声波测试相结合的方法探测阿舍勒铜矿深部采区巷道围岩松动圈厚度，验证地质雷达探测巷道围岩松动圈的可行性，并基于地质雷达大面积探测矿山巷道松动圈分布，供矿山巷道支护参考借鉴。

1 阿舍勒铜矿概况

阿舍勒铜矿位于新疆阿勒泰地区，是我国第二大铜矿，铜工业储量近92万t。阿舍勒铜矿Ⅰ号矿体铜金属量占矿床总储量的97.43%，矿体走向长度853 m，目前开采深度约为900 m，矿体东翼平均厚度为45 m，西翼平均厚度为20 m，倾角为55°～85°，具有走向长度短、埋藏深、储量大和水平厚度大等特点。矿体赋存于阿舍勒组第二岩性中亚段的英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩上部。矿体形态严格受地层及向斜构造控制，横断面呈“鱼钩”状，水平断面呈“镰刀”状。矿体总体呈南北向分布，阿舍勒铜矿矿石品位2.43%，主要矿物为黄铜矿，锌和硫共生。矿体顶板主要为下亚段的玄武熔岩层，底板为上亚段的英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩。

2 深部巷道围岩松动圈深度探测

2.1 地质雷达探测原理

地质雷达是探测地下介质分布的广谱电磁技术。雷达向岩石介质内发射高频电磁波，经岩体深处岩层或目标体反射后由雷达接收。岩体中的节理、裂隙等会引起电性差异，地质雷达通过记录电磁反射波信号的信息，便可获得不同形式的剖面图，判断出异常体的位置、几何形态等。地质雷达工作原理图见图1[9]，反射界面深度z可用式(1)求得。

z=(t2v2-x2)1/2/2

(1)

式中：t为电磁波走时；v为电磁波传播速度，数值上等于电磁波在真空中的传播速度与介质相对介电常数二次方根的比值；x为雷达发射天线与探头间的距离。

图1 电磁波测试原理Fig.1 Measuring principle of electromagnetic wave

井下巷道围岩松动圈内有许多裂隙，岩体呈松弛状，地质雷达发出的电磁波在其内部传播，当电磁波经过松动圈与完整岩体的交界面时，由于电性差异，将产生较强的电磁波反射。因此，可以根据雷达接收到的电磁波反射图像来确定巷道围岩松动圈的范围，即松动圈厚度。

2.2 地质雷达设备

本次测试雷达采用南非Reutch Mining公司生产的Sub Surface Profiler(SSP)便携式地质雷达。SSP便携式地质雷达可以快速准确地辨别距表面6 m范围内的岩体构造，一般可探测深度达8 m，重量小于4.5 kg，采用可充电电池供电，便于携带，现场成像。SSP便携式地质雷达主要由探头、平板电脑和手柄三部分组成。其中，探头包含圆滚轮和支架，圆滚内置有雷达发射器和接收传感器。SSP雷达获取的数据通过无线通讯输入便携平板电脑，现场操作人员可即时获取岩体构造特征。

2.3 深部巷道围岩松动圈厚度探测

采用SSP便携式地质雷达探测-200 m、50 m中段巷道围岩松动圈厚度，测试位置为巷道两帮距地面1 m高处，测试时手持SSP雷达手柄，将手柄与巷道帮壁尽量保持垂直，匀速沿巷道方向行走。雷达增益设置为40 dB。同时，在50 m中段分别选取穿脉巷道、沿脉巷道两处测点，利用RSM-SY5(T)型数字超声波仪探测围岩松动圈范围。声波测孔直径50 mm，下倾5°。

3 探测结果分析

3.1 地质雷达探测可靠性分析

图2是阿舍勒铜矿50 m中段选取的两处SSP便携式地质雷达探测与声波测试对照测试结果。依据声波测试松动圈判定标准，未经扰动的穿脉巷道波速在孔深1.4 m处达到最小，相邻采场已开采的沿脉巷道波速在孔深1.9 m处达到最大，判定穿脉巷道、沿脉巷道测点松动圈厚度分别为1.4 m和1.9 m。图2(a)显示巷道表面向岩体深处的1.1 m范围内，裂隙发育程度较高。在巷道表面至岩体深处1.4 m时，仍然有明显的裂隙；当超过1.4 m时，岩体无明显连贯性较好的裂隙，因此依据SSP雷达探测图可以判定该处巷道围岩松动圈约为1.4 m。图2(b)显示巷道帮壁1.9 m深度存在与巷道方向相同的连贯裂隙，因此判定该处巷道围岩松动圈厚度为1.9 m。基于SSP便携式地质雷达探测的巷道围岩松动圈与基于声波测试的巷道围岩松动圈厚度基本一致，因此，采用SSP便携式地质雷达，能够快速、准确地测试出巷道围岩的松动圈厚度。

3.2 开采扰动对巷道围岩松动圈厚度的影响

50 m中段巷道围岩松动圈雷达探测结果表明，开采扰动前，穿脉、沿脉巷道围岩松动圈厚度无明显差异，为1.4～1.7 m。但采场开采扰动对该采场的穿脉巷道、上下盘沿脉巷道围岩松动圈厚度有明显影响。图2(a)是50 m中段未开采采场穿脉巷道松动圈雷达探测图像，图3是开采采场穿脉巷道围岩松动圈雷达探测图像。受开采扰动的巷道围岩松动圈范围明显增大，在距离巷道帮壁1.9 m深度，形成了明显的裂隙，表明开采扰动后的巷道围岩松动圈厚度为1.9 m。

图2 SSP地质雷达探测与声波探测结果对照图Fig.2 Results comparison of SSP geological radar detection and sound wave test

在不同位置的沿脉巷道中也观察到了同样的现象。图4是50 m中段沿脉巷道松动圈探测图像。采场开采扰动后，沿脉巷道围岩松动圈厚度增大至2.0 m，明显大于开采扰动前的1.4～1.7 m；开采扰动后的巷道围岩松动圈厚度为1.6～2.0 m。

图3 开采扰动后50 m中段穿脉巷道雷达探测图像Fig.3 Radar graph of branch drift after mining disturbance at the 50 m level

图4 开采扰动后50 m中段沿脉巷道雷达探测图像Fig.4 Radar graph of main drift after mining disturbance at the 50 m level

3.3 -200m中段巷道围岩松动圈

阿舍勒铜矿-200 m中段目前正施工采准工程，无采场分布。图5是-200 m中段巷道围岩松动圈雷达探测图像。尽管未经开采扰动，但该处巷道松动圈已接近1.9 m。综合-200 m中段巷道围岩松动探测结果，该中段松动圈厚度为1.6～1.9 m，明显大于50 m中段开采扰动前的巷道围岩松动圈厚度。

图5 -200 m中段巷道围岩松动圈雷达探测图像Fig.5 Radar graph of drift at the -200 m level

目前国内大多数矿山支护采用统一的标准或者简单依据区域、巷道类型划分支护标准，未能依据矿山开采过程中巷道围岩松动圈的发展演化规律制定针对性的支护方案，浪费支护材料，无法达到理想的支护效果。随着便携式雷达探测技术的发展，矿山能够更快捷、经济、有效地识别松动圈范围，进一步优化支护参数，改善支护效果。

4 结 论

1) 基于SSP便携式地质雷达探测的巷道围岩松动圈与基于声波测试的巷道围岩松动圈厚度基本一致，采用SSP便携式地质雷达，能够快速、准确地探测巷道围岩的松动圈厚度。

2) -200 m中段巷道围岩松动圈厚度为1.6～1.9 m，明显大于50 m中段开采扰动前的巷道围岩松动圈厚度。

3) 开采扰动明显加深了采场临近巷道围岩松动圈厚度。阿舍勒铜矿50 m中段开采扰动前，巷道围岩松动圈厚度为1.4～1.7 m，开采扰动后为1.6～2.0 m。