趙 超 朱 敏 閆理威

（山東新巨龍有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274900）

新巨龍礦區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，有多條河流在施工區(qū)域地表穿過(guò)。根據(jù)近些年多次地勘情況顯示區(qū)域內(nèi)地下水也比較發(fā)育，地質(zhì)情況復(fù)雜。

雷達(dá)探測(cè)作為一種成熟的對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)體探測(cè)的技術(shù)與手段，具有數(shù)據(jù)采集快、對(duì)含水地質(zhì)體的分辨率高、可以做到無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)[1]。目前該探測(cè)技術(shù)已經(jīng)在大量的工程中得到應(yīng)用，并取得了良好的效果[2-3]。本文以新巨龍煤礦正在掘進(jìn)巷道為工程背景，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)該區(qū)段進(jìn)行超前探測(cè)，并結(jié)合實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)探測(cè)效果進(jìn)行分析。

1 探測(cè)區(qū)段富水情況

新巨龍煤礦區(qū)內(nèi)形成以阻水邊界為主，但在東北部為補(bǔ)給邊界的邊界條件。西界聊考斷層，西降東升，區(qū)內(nèi)石炭二疊系與區(qū)外新生界接觸，形成弱補(bǔ)給邊界。北界汶泗正斷層，北升南降，南界鳧山斷層，北升南降，區(qū)內(nèi)奧灰與區(qū)外上二疊統(tǒng)或上侏羅統(tǒng)地層在深部接觸，為阻水邊界。綜上所述，本區(qū)為三面阻水、一面弱補(bǔ)給的水文地質(zhì)單元。區(qū)段含水特征如表1所示。

表1 新巨龍煤礦地層富水情況

2 探測(cè)原理及圖像分析

2.1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是利用電磁波對(duì)要探測(cè)區(qū)域地層、異常體分布和基本情況確定的一種物探技術(shù)[4-5]，探地雷達(dá)主要由主機(jī)和天線組成。發(fā)射的電磁波在探測(cè)體中傳播時(shí)在遇到斷層或者異常構(gòu)造時(shí)會(huì)有部分反射和部分透射，反射回的波被接收器接受，透射部分將繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后形成成果圖[6]。工作原理圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

專(zhuān)用的解譯軟件可以根據(jù)波的雙程走時(shí)、傳播速度以及其他基本參數(shù)計(jì)算出反射層距離掌子面的位置，如公式（1）和（2）所示：

由上述公式可知上下兩層介質(zhì)的介電常數(shù)差越大發(fā)射系數(shù)就越大，相應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)體的探測(cè)效果也就越好。

根據(jù)常見(jiàn)含水率的經(jīng)驗(yàn)公式Roth、Topp、Ferre以及Alharathio公式可知，巖層中富水情況下，會(huì)導(dǎo)致其介電常數(shù)的增加，使反射波的反射現(xiàn)象比較明顯[7-8]。

2.2 圖像分析

導(dǎo)出的成果圖反映的是探測(cè)體電性分布的差異情況，在進(jìn)行最終分析時(shí)需要將設(shè)備導(dǎo)出圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地質(zhì)情況。完整巖體、巖溶、水體以及破碎帶等地質(zhì)體與地質(zhì)雷達(dá)圖像之間的特征關(guān)系如表2所示。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本次掘進(jìn)巷道為2306N皮帶機(jī)頭通道及下平巷，巷道平距約1263m。掘進(jìn)巷道穿越范圍內(nèi)斷層數(shù)量較多，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。根據(jù)以往的勘查結(jié)果顯示地下水發(fā)育，主要以裂隙水、基巖裂隙水以及巖溶裂隙水為主，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際受水害的影響也比較大。

表2 典型地質(zhì)體波形特征

3.2 探測(cè)方案

本次探測(cè)選用意大利IDS型地質(zhì)雷達(dá)，主要由主機(jī)和80MHz屏蔽天線等組成，對(duì)掘進(jìn)巷道前方30m范圍內(nèi)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。論文以其中3次探測(cè)為例進(jìn)行分析，每次探測(cè)均布置一條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度5m，探測(cè)時(shí)工作天線由左至右，測(cè)線布置位置距離底板1.5m。測(cè)線布置如圖2所示，雷達(dá)天線如圖3所示。

圖2 雷達(dá)測(cè)線布置圖

圖3 地質(zhì)雷達(dá)80MHz天線

3.3 效果對(duì)比分析

由于該區(qū)域地層富水，并且根據(jù)近年來(lái)的勘探情況顯示地下水構(gòu)成復(fù)雜，因此為了保證預(yù)報(bào)的可靠性，每次探測(cè)只取探測(cè)成果的前20m作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3次探測(cè)成果圖如圖4所示。

（1）0～20m范圍內(nèi)探測(cè)成果與開(kāi)挖情況對(duì)比

掌子面前方3～16m范圍內(nèi)電磁波反射波波形雜亂、振幅比較高且寬，同向軸錯(cuò)段，能量異常衰減。開(kāi)挖掌子面比較濕潤(rùn)，巷道底板中心有水流出。推斷該區(qū)段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖溶水比較發(fā)育，發(fā)育位置應(yīng)集中在巷道中間部位。

實(shí)際揭露過(guò)程中5～12m范圍內(nèi)巖溶水發(fā)育，并且出現(xiàn)了小溶蝕性空洞，圍巖自穩(wěn)能力較差，無(wú)支護(hù)時(shí)有掉塊風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際含水范圍在預(yù)報(bào)水體異常范圍內(nèi)，定性判斷比較準(zhǔn)確。

（2）20～40m范圍內(nèi)探測(cè)成果與開(kāi)挖情況對(duì)比

掘進(jìn)工作面前方4～16m范圍內(nèi)波形雜亂無(wú)序，振幅高寬，能量衰減異常，分布不均勻，同向軸連續(xù)性差。結(jié)合掌子面情況推斷巖體破碎情況較差，接力裂隙發(fā)育，巷道左側(cè)巖溶水發(fā)育。

實(shí)際揭露過(guò)程中在6～16m范圍內(nèi)巖溶水發(fā)育，其中在9～13m區(qū)段含水量較大，拱頂出現(xiàn)了淋雨現(xiàn)象，巷道左側(cè)富水情況明顯高于右側(cè)巷道。實(shí)際含水范圍在預(yù)報(bào)水體異常范圍內(nèi)，定性判斷比較準(zhǔn)確。

（3）40～60m范圍內(nèi)探測(cè)成果與開(kāi)挖情況對(duì)比

在工作面前方4～20m范圍內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)回波雜亂，振幅整體較強(qiáng)，同向軸連續(xù)性較差。推測(cè)該區(qū)段可能有溶蝕性裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，巖體比較破碎，自然條件下開(kāi)挖時(shí)可能有掉塊現(xiàn)象。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖

實(shí)際揭露過(guò)程中在整個(gè)探測(cè)范圍內(nèi)巖體比較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，在6～15m范圍內(nèi)巷道中下部有溶蝕性裂隙出現(xiàn)，含水量較小。實(shí)際含水范圍在預(yù)報(bào)水體異常范圍內(nèi)，定性判斷比較準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)分析，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果與探測(cè)區(qū)段實(shí)際地質(zhì)情況吻合度較高，對(duì)含水異常體的預(yù)報(bào)效果比較明顯，可以為該類(lèi)型巷道施工提供有效的工程指導(dǎo)。

（2）利用地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)可以對(duì)含水構(gòu)造定性判斷的特點(diǎn)，可以利用地質(zhì)雷達(dá)指導(dǎo)超前水平鉆探，對(duì)探測(cè)到的含水異常體區(qū)域作為施鉆的重點(diǎn)區(qū)域，提高鉆探的準(zhǔn)確性。

（3）地質(zhì)雷達(dá)對(duì)不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)也和其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有相同的弊端，只能在一定程度上對(duì)施工區(qū)段做定性判斷，不能做到定量分析。