探地雷达用于采煤区地表拉张裂隙探测研究

黄 河，冯 宇，严家平，胡雄武，尚相春

（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.淮北矿业<集团>有限责任公司，安徽 淮北 235000）

采煤区地表拉张裂隙形成是一个复杂的岩土力学时空演变过程，地质条件、开采工艺、第四系松散层物理力学性质等对拉张裂缝的形成与演化影响较大[1-3]。何国清等[4]研究表明在相似开采地质条件下，塑性大的表土层产生地裂缝步距较大，地裂缝尺寸也较大，但裂缝条数相对较少。胡振琪等[5]研究表明风沙区地表赋存较厚风积沙，具有高孔隙度和半流动性特征，力学强度差，地裂缝具有较强自修复特征。采煤区地表拉张裂隙的产生破坏了原有土层结构，加速了地表水和土壤养分的流失，造成严重的水土流失、植被破坏和地质灾害等危害[6-8]。

地裂缝发育密度、宽度及深度对矿区地质环境影响非常关键，因此快速、精准查明地裂缝发育深度、宽度等，对于矿区地质环境治理具有重要意义。目前针对地裂缝发育特征调查多采用现场测量与监测[9]，李亮等提出采用三维激光扫描[10]技术开展地裂缝调查；胡振琪等[11]围绕西部风沙区高强度开采动态地裂缝发育特征开发了一套采动地裂缝发育规律的监测装置；李娜娜等[12]基于高密度电法对沉陷区地表裂隙密度和宽度调查开展试验研究。探地雷达技术近年来也不断应用于拉张裂隙调查，李远强[13]利用探地雷达技术开展了地裂缝探测的研究。本文利用探地雷达技术，重点开展采煤区地表拉张裂隙深度探测研究，为采煤区地表拉张裂隙精准探测与地质环境治理提供技术保障。

1 研究区地表拉张裂隙发育特征

1.1 研究区概况

本次研究区选择孙疃煤矿1047工作面。孙疃煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，属淮北矿业（集团）有限责任公司所属国有煤矿，年产煤炭180×104t。

1047工作面是孙疃煤矿当前主采工作面。1047工作面走向长560m，倾向宽220m，切眼方向为150°，机巷、风巷方向为60°。1047工作面采高约3.3m，采煤方法为综采法，主要回采10煤，采深-380.4～-427.3m，上覆第四系松散层厚约200m。

1.2 研究区拉张裂隙发育特征

孙疃煤矿1047工作面回采期间，与切眼方向近平行的“横向裂隙”和与风巷（或机巷）近平行的“纵向裂隙”均发育明显，裂隙长度从十几米到一两百米不等，宽度从几毫米到几十厘米不等；深度几米到十几米不等，横向裂隙分布间隔8～12m左右，纵向裂隙分布间距6～15m左右。纵向裂隙发育随着采煤活动推进呈现产生—发展—趋稳的规律，而横向裂隙发育则呈现产生—发展—减弱—闭合的规律。裂隙发育对地表形态、土壤质量、植被生长、道路、堤坝及房屋安全等造成较大影响。

2 拉张裂隙测量

2.1 测量方法

拉张裂隙发育深度、宽度对其地质环境影响至关重要，为了查明1047工作面地表拉张裂隙发育特征，本次研究采用坑探法开展测量。坑探选择在4条比较典型的拉张裂隙上，试坑开挖尺寸（长×宽×深）为150cm×120cm×150cm，开挖时分3个台阶，开挖后实测坑内拉张裂隙深度、宽度。

2.2 实测结果分析

坑内拉张裂隙深度、宽度直接测量结果详见表1。由于受试坑尺寸制约，无法直接准确量测裂隙深度，本次研究还根据实测数据进行拟合分析，推断拉张裂隙发育深度，拟合曲线见图1。根据拟合曲线可知，坑1裂隙发育深度约7.6m，坑2裂隙发育深度约7.3m，坑3裂隙发育深度约6.8m，坑4裂隙发育深度约6.5m。

图1 拉张裂隙发育宽度与深度拟合曲线

表1 坑内裂隙深度、宽度实测值

由于拉张裂隙发育深度较大，受坑探法施工难度限制，采用坑探法无法直接测量出拉张裂隙发育深度，只能通过拟合分析间接获得拉张裂隙发育深度，这对于准确掌握采煤区拉张裂隙发育深度及地质环境影响有很大制约。

3 利用探地雷达拉张裂隙深度探测

3.1 测试原理

为了更好地探测采煤区地表拉张裂隙发育深度，本次研究采用探地雷达对地表拉张裂隙发育深度进行探测。探地雷达是通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下介质传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，返回地面后由接收天线所接收，根据接收到的电磁波波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

本次探测采用瑞典RAMAC/GPR系列便携式高精度探地雷达，该仪器的特点是分辨率高，擅长于进行大数据量、高密度的连续探测并实时显示彩色波形图，适合本次研究需要。

3.2 测试方案

本次研究结合裂隙发育特点共布置了2条测线，分别记为SL1和SL2，其中SL1为南北向，长度约55m（坑探点位于此测线上）；SL2为东西向，长度约106m，测线布置详见图2。针对测线SL1和SL2，现场选择非屏蔽天线100MHz进行测试。GPR现场采集参数设置见表2。

表2 GPR数据采集参数设置（100MHz）

图2 探地雷达测线布置示意图

3.3 测试结果分析

SL1和SL2两条测线上的地质雷达测试结果见图3、图4。经对地质雷达波响应特征分析，拉张裂隙发育位置及深度详见表3。

表3 探地雷达测试分析结果

图3 SL1测线地质雷达测试结果（100MHz天线）

图4 SL2测线地质雷达测试结果（100MHz天线）

4 对比分析

利用探地雷达探测到的拉张裂隙位置与实际测量结果具有较好的一致性，其中现场开挖的试坑所处裂隙分别对应于探地雷达测线SL1上第①、②、③、④条裂隙，将这两种方法探测的拉张裂隙深度进行对比（对比结果详见表4），由对比结果可知，对于拉张裂隙发育深度，探地雷达探测结果与坑探测量拟合分析结果高度一致，且位置与现场实测吻合度较好，表明探地雷达用于探测矿区地表拉张裂隙发育位置及深度效果良好，为拉张裂隙调查提供了广阔的应用前景。

表4 探地雷达探测深度与坑探拟合深度对比

5 小结

采煤区地表拉张裂隙发育对矿区水土保持、土壤质量、地质环境造成较大影响，快速准确地探测拉张裂隙的发育位置及规模对于开展地质环境调查与环境治理具有重要意义。探地雷达技术利用其分辨率高、连续探测的优点，可以精准探测采煤区地表拉张裂隙发育位置、深度，在采煤区地表拉张裂隙发育特征调查方面具有良好的应用前景。