地质雷达在煤矿采空区的探测应用研究

徐坤，李欣睿，陈忍忍

(江苏省第二地质工程勘察院，江苏徐州 221000)

0 引言

徐州市曾是江苏省重要的煤炭基地，由于地下煤炭长期开采造成地表塌陷形成大范围的沉陷区。地表沉陷不但使可利用的土地面积减少、质量退化，而且在一定程度上加剧了地、矿、人之间的矛盾，甚至引发一系列的社会问题，同时也给矿区和资源型城市在资源枯竭后的经济社会可持续发展带来很大的隐患[1-2]。

地质雷达探测技术具有分辨率高、成果解释可靠、应用范围广、操作简便和自动化程度高等优点，广泛应用于浅地表地质调查。随着电子技术与数字处理技术的发展，地质雷达的分辨率与探测深度大大提高。地质雷达已在铁路及城市地铁系统超前地质预报、工程地质勘察、灾害地质调查、地基基础施工质量检测、考古、管线探测、公路工程质量检测等多个领域中得到了广泛应用[3-7]。张远博等运用地质雷达在煤矿新、老采空区中进行特殊地质探测，均获得了较好的应用效果[8-10]。

本文基于研究区已有的基础地质资料及煤矿开采资料，根据研究区现况在斜井附近垂直布设6条测线，通过数据解译确定异常区域，为下一步钻探验证提供依据。研究结果可为相似地质条件下采空区治理提供一定的参考。

1 研究区概况

1.1 煤层特征

拟建场地及周边区域内煤层赋存于下石盒子组、山西组和石炭系上统太原组，其展布形态与地层的构造形态相类似，共含煤层21层，煤层总厚度6.68 m，其中可采、局部可采煤层4层，分别为3煤、7煤、20煤和21煤。拟建场地及周边煤层特征分述如下。

下石盒子组3煤(夏桥系)。煤层厚度0～18.0 m，自北向南厚度变化为3.0～5.5 m，平均厚度4.0 m，为较稳定煤层，全区可采，局部夹矸1～3层，夹矸厚度0.1～3.5 m，属稳定可采中厚煤层；拟建场地内3煤倾角为40°～45°；煤层顶板为页岩，厚度0～10.0 m，平均厚度3.0 m；煤层底板为页岩，厚度0～8.0 m，平均厚度2.5 m。

山西组7煤(小湖系)。煤层厚度0～5.5 m，平均厚0.7 m，为较稳定煤层，全区可采，局部夹矸1层，夹矸厚度0.2～3.5 m；煤层倾角为20°～30°；煤层顶板为砂质页岩，平均厚度2.0 m；煤层底板为页岩，厚度0.5～2.0 m，平均厚度1.5 m。

太原组20煤(屯头系)。煤层厚度0～1.4 m，平均厚度0.6 m，可采范围平均厚度0.7 m，为较稳定煤层，局部可采；煤层倾角为10°～20°；煤层顶板为灰岩，平均厚度4.0 m；煤层底板为砂岩，平均厚度2.5 m。

太原组21煤(屯头系)。煤层厚度0～1.1 m，平均厚度0.8 m，为较稳定煤层；煤层倾角为10°～20°；煤层顶板为灰岩，平均厚度12.0 m；煤层底板为页岩，平均厚度2.5 m。

1.2 水文地质特征

根据相关资料，拟建场地地下水分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩类裂隙水三类。相应的含水岩组划分为孔隙含水岩组、岩溶裂隙含水岩组、裂隙孔隙含水岩组三类。

1.2.1 松散层孔隙含水岩组(I)

本含水层主要是上覆土层，总厚度约20～25 m，岩性主要为粉土、黏性土。粉土结构松散，透水性较好，黏性土透水性弱。

本含水层地下水主要为孔隙潜水，水质、水量、水位受人类活动和水文气象影响大。长期稳定水位埋深0.5～1.5 m，近年最高水位埋深0.5 m，单井涌水量100～200 m3/d，为HCO3·Cl-Ca·Na型水，矿化度大于1 g/L。

1.2.2 碎屑岩类含水岩组(II)

本含水岩组为二叠系下统下石盒子组砂岩、页岩及山西组砂岩、页岩裂隙孔隙水。富水性差，与裂隙岩溶水含水岩组相比，可视为相对隔水层。单井涌水量多小于100 m3/d，局部因受构造影响或在导水断层附近，富水性略有增强。

1.2.3 碳酸盐岩类含水岩组(III)

主要为石炭系太原组和马家沟组裂隙岩溶水，代表岩性以灰岩、白云岩为主，裂隙岩溶较发育，富水性较好，其中奥陶系马家沟组灰岩富水性最好。太原组灰岩中裂隙局部较发育，且多为方解石充填，局部发育有小溶洞，其中四灰、十二灰厚度较大，分布稳定，一般富水性较强，其余各层薄而稳定性差，富水性相对较弱。

1.3 地球物理特征

如果煤层未被采动，地层一般具有成层性和完整性，在地球物理性质上表现为横向上的连续和纵向上的过渡，相同地层在小范围内没有明显电性差异。若煤层被采动，会产生自然的顶板冒落现象，一定范围内岩石松散垮落，继而导致上覆地层整体相对均匀的沉降。当煤层被无序开采保留煤柱较多时，会产生不均匀沉降。

采动后一般会造成地下出现两种情况：一是采动区顶板垮落，采空区被坍塌物和空气充填，无水或水量很少，这种情况下一般采空区反应到物理参数为电阻率较围岩高；二是采动区顶板垮落，采空区被坍塌物和水充填，由于水充填的缘故，将导致采空区的电阻率较围岩低。结合已知的地质资料、水文资料分析确定本测区采空区呈低电阻率。

2 地质雷达探测

本次地质雷达探测工作的内容为查明煤矿斜井位置、走向及埋深等信息。

2.1 地质雷达应用前提

岩(土)层连续分布均匀，不存在空洞、断裂及杂填等不均匀电性体时，电磁波在地层传播过程中不会发生反射、绕射等现象，在雷达图像上相应区域反射波均匀，无杂乱回波存在。当地层中存在空洞或断裂构造等地质异常体时，该异常体与周围稳定地层之间存在明显的电性差异，雷达波在遇到电性界面时会发生反射、绕射现象，雷达剖面上通常表现为不连续的杂乱反射波组、波振幅或频率发生明显变化及反射波相位反转等特征。实际应用中，煤矿斜井与周围第四系土层存在明显的介电常数差异，这为利用地质雷达探测废弃巷道提供了良好的地球物理前提。

2.2 观测系统设计

根据本次探测的目的任务，在工程项目场地布置雷达测线6条，测线方向为近EW向，与推测巷道走向近垂直分布。测线详细布置见表1。分别采用高分辨率的100 MHz屏蔽天线和大探测深度的40 MHz非屏蔽天线在场地的不同区段进行了探测，测点点距设计为10 cm。

表1 瓦庄煤矿斜井地质雷达探测测线参数汇总表

3 结果及分析

本文采用仪器配套软件RADAN7.0对野外数据进行了处理，主要包括拾取初至、道编辑、增益控制、滤波、速度分析及深度转换等处理。最终获取地质雷达探测成果剖面，时深转换的电磁波传播速度为0.09 m/ns。

根据剖面成果图(见图1～6)，可得到每条测线的异常区分布情况。图1中异常区横向分布范围12.0～16.0 m，埋深5.0～8.0 m；图2中异常区横向分布范围10.0～13.5 m，埋深6.0～9.0 m；图3中异常区横向分布范围9.0～13.0 m，埋深7.8～10.0 m；图4中异常区横向分布范围11.5～14.0 m，埋深12.0～15.0 m；图5中异常区横向分布范围12.0～14.0 m，埋深15.0～18.0 m。以上5处异常区的雷达反射波同相轴不连续或振幅、频率变化较大，推测为地下斜巷的空间位置。图6未见明显异常区。

图1 测线L1地质雷达探测成果图

图2 测线L2地质雷达探测成果图

图3 测线L3地质雷达探测成果图

图5 测线L5地质雷达探测成果图

图6 测线L6地质雷达探测成果图

4 结论

本文在对场地基础地质资料分析的基础上，采用地质雷达对场地内斜井分布进行探测，得出以下结论：

(1)老采空区斜井分布位置固定，但受多年人工及水文地质变化影响存在不同程度地破损，是采空区治理的重点；

(2)运用地质雷达能够非常清晰地发现斜井破损区域空间分布情况，对其位置、空间大小均能清楚判定，结合后期钻探结果可全面掌握；

(3)建议对老采空区斜井区域采用注浆处理方式。注浆区域可以在钻探验证的基础上确定，注浆方式可以采用定向钻注浆，注浆顺序从低到高，确保注浆填充效果。