隧道煤层采空区的探测技术.pdf

第 3 6卷增刊 2 0 1 2年 1 0月 物探与化探 GE OP HYS I C AL ＆ G EOC HEMI CAL E XP L ORAT I ON Vo 1 ． 3 6， S u p p ． O e t ．． 2 0 1 2 隧道煤层采空区的探测技术 吴德胜， 吴丰收， 苏有财， 花晓鸣， 李苍松 中 铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都6 1 1 7 3 1 摘 要阐述了隧道隐伏煤层采空区对隧道施工及运营安全的影响及危害， 并针对隧道内特有的工作空间， 对比各 种物探技术的应用情况， 最终选择 了 抗于扰强、 效率高的探地雷达技术对煤层采空区进行探测。结合几个工程实 例， 分析了探地雷达在高风险隧道隐伏煤层采空区探测中的具体应用情况 ， 通过钻孔验证 了方法的有效性和精确 性 。 关键词 隧道； 采空区； 探地雷达； 超前探测 中图分类号 P 6 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 8 9 1 8 2 0 1 2 S I 一0 0 1 6 0 4 随着我 国交通建设 的投入加大 ， 穿越煤层开采 区的铁路、 公路隧道越来越多， 煤层开采遗留下来的 运输及采掘巷道， 无疑给隧道施工带来一定的影响。 由于煤层的厚度、 倾角、 倾向不同， 遗留下来的巷道、 采空区规模、 形态等也各异， 对隧道安全施工的影响 大小也不同。对于在建高风险隧道， 隧道开挖面前 方 的隐伏煤层采空区， 由于充填物各异 ， 施工 中易造 成岩体坍塌、 涌水、 涌泥等地质灾害； 在隧顶的隐伏 煤层采空区， 易引起拱顶大面积坍塌、 冒顶、 涌水 泥 等， 严重的还会引起隧体失稳； 在隧底的隐伏 煤层采空区， 极易引起隧底突然塌落， 致使堆放其上 方的材料陷落， 过往设备及行人坠落。为了排除隧 道隐伏煤层采空区对隧道安全施工、 运营的影响和 威胁， 探明采空区的存在及特征就显得非常重要。 1 隧道煤层采空区探测技术现状 煤层开采年代久远 ， 开采无序 ， 运输及采掘航道 分布极其复杂， 采空区大小各异， 或回填或空洞， 给 勘探增加了困难。特别是处于空洞状 的采空区 ， 破 坏了岩体内原有的应力平衡， 在上覆岩层压力的长 久作用下， 采空区及围岩可能发生变形、 破碎、 塌落 等现象， 从而形成了塌陷带、 裂缝带和变形弯曲带3 个影响带， 这些影响带成为岩层一采空区的过渡带， 物性差异小 ， 进一步增加了勘探难度。 目前 ， 采空区探测方法主要有浅层地震法 、 探地 雷达法、 瞬变电磁法、 高密度电法、 电测深法、 高密度 微重力等， 这些方法都有其各自的特点 I 6 j 。国内 对隧道隐伏煤层采空区探测主要采用探地雷达法和 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 3 0 地震波法。探地雷达法具有高效、 便携、 高精度、 信 号连续采集等优点， 对隧道隐伏煤层采空区的探测 具有其他方法无法 比拟的优点 J 。 - 地震波法数据 采集速度快， 但抗干扰能力差， 因其探测深度大， 在 隧道 内应用也有一定的优势。 由于隧道特有的结构及有 限的三维空 间制约， 物探方法应用存在一定的限制和干扰， 主要体现 在_ 8 j 隧道 内空 间狭小 ， 测线 布设 、 排列 展开难 度 大； 隧道底板密实、 坚硬， 电极、 传感器等埋设难度 大， 耦合度差； 隧道内金属全空间分布， 加之工业用 电， 对电场、 磁场、 电磁场等干扰严重， 不仅影响异常 体的分辨， 还易引入伪异常体； 隧道施工车辆、 机械 等噪音极大， 严重干扰了地震波、 声波等信号采集， 导致信号干扰大， 处理难， 分辨率低； 隧底积水重， 泥 浆厚 ， 严重影响探地雷达探 } 贝 0 深度 、 精度 ； 技术方法 多具有多解性 ， 勘查结果的精度 和可能性不高。笔 者根据隧道实际工作环境 ， 选择探地雷达技术对隧 道隐伏煤层采空区进行探测 ， 并有针对性地增加超 前钻来验证探地雷达探测的有效性和精确性。 2 探地雷达技术测试原理 探地雷达系统是一种探测地下结构和埋藏物的 新型无损探测仪器， 它在地表向地下发射脉冲形式 的高频宽带电磁波， 电磁波在地下介质的传播过程 中， 遇到存在电性差异的地下目 标体便发生反射， 利 用探测仪器即可在地表接收反射回波信号。通过处 理和分析回波信号的时延、 波形、 强度、 双程走时、 频 谱特性等参数 ， 推断地下目标体的空间位置、 结构、 物探与化探 3 6卷 3 ． 2实 例 2 某隧道穿越须家组六段、 七段， 岩性主要为泥岩 夹细粉砂岩、 煤层、 煤线和炭质泥岩。根据设计资料 得知， 此段多处存在煤矿， 且多被废弃， 年代久远， 没 有资料证实其穿越的具体位置。根据地质超前预报 及超前水平钻探分析结果 ， Z K 1 3 6 9 0 5～Z K1 3 6 9 6 0范围内， 隧道施工掌子面不存在煤层采空区， 该 结论得到开挖验证， 但在 Z K 1 3 6 9 0 0掌子面出现 厚煤层。根据煤层走 向， 进一步推断在 Z K 1 3 69 0 5 ～ Z K 1 3 6 9 3 0隧道底板存在煤层 ， 不排除存在煤层 采空区的可能。为了确保隧道施工安全和隧道工程 质量， 对此区段隧道底板进行探测。由于隧道底板 比较平整、 干燥， 且没有台车、 机械等金属器械影响， 考虑最小限度的施工影响， 特制定探地雷达加钻孔 的方案进行探测 、 验证。 3 ． 2 ． 1 雷达探测 采用 S I R - 2 0型探地雷达， 1 0 0 M H z 屏蔽天线进 行探测。图4 为探地雷达测线布设图， 图5为处理 后的测线 1 雷达反射波剖面图。 Z K1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 3 6 ZK1 3 6 9 3 0 9 2 5 9 2 0 9 1 5 9 1 0 9 0 5 5 垂 m 1 5 2 0 2 5 图 4 探地雷达测线布设 Z K1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 36 9 2 5 9 2 0 9 1 5 9 1 0 图 5 测线 1探地雷达剖面 通过数据分析发现， 在 Z K 1 3 6 9 1 0～ Z K 1 3 6 9 2 5段 ， 隧道底板下方存在明显 的异常 区， 在 51 7 m深度范围雷达反射波较强， 且存在明显的上、 下两 个反射界面， 此间的雷达反射波相位错乱， 表明岩体 破碎； 局部区域雷达反射波波幅明显增大， 波长增 长， 表明此区域岩体不密实， 存在空腔。通过 6 条雷 达测线成果图获得此区域内异常体立体图， 结合地 质资料综合分析认为， 异常区为回填不密实的煤层 采空区。 3 ． 2 ． 2 钻孔验证 根据探地雷达异常立体图制定钻孔方案， 表 2 详细描述了钻孔 位置、 钻探方 向、 深 度及取得 的岩 芯。1 号孔的岩芯在雷达异常 区以块状砂岩 为主， 夹煤矸石 、 小煤块 ； 2 、 3号孔的岩芯在雷达异常 区主 要以煤矸石、 煤块、 岩石碎屑为主； 4号孔的岩芯在 雷达异常区主要以破碎岩块为主 ， 夹煤矸石块 。2 、 3 、 4号钻孔在钻进过程 中出现严重漏水 ， 且有掉钻 和钻进速度变快现象， 而 1 号钻孔在钻进过程中没 出现漏水， 仅钻进速度变快。根据探地雷达反射剖 面图、 钻孔资料， 结合地质资料， 综合分析认为雷达 异常区为回填的采空区， 而且回填不密实， 局部存在 空洞 。图 6为探地雷达成果图和钻孔岩芯资料综合 获得的回填煤层采空区纵断面示意图。 表 2 钻孑 L 描述 位置 方向 盗麈 m 岩芯描述 1 ZK1 3 691 0， 距隧道轴线 1 m 1 ZK1 3 691 5， 。 距左边墙 4 ． 5 m ZK1 3 6 9 2 0， 距隧道轴线 1 m d ZK1 3 69 2 6， 。 距左边墙 4 ． 5 m 与垂向成． 8～1 1 in ， 岩芯 以块状砂 1 5 。 夹角 ～岩为主 ， 夹煤矸石 、 小煤块 垂 直 向 下3 1 磊 襞 佃 、 扶 、石 佃 评 ，目 刀 土 垂 直 向 下 s 墓 佃 、 扶 、石 们 件 J肖 刀 土 ★ 9～1 5 m， 岩芯 以破碎2 6 垂直向下 岩块为 口 ／ I ’ ， I U ZK1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 3 6 Z K1 3 6 9 2 6 9 2 0 9 2 5 91 0 出口方向 4 号 3 号 2 号 l 号 掌子面方向 4 4 ． 5 m ， h m 采空区 5 ．I m 、 9 m l 6 ／ ／ f 图6 煤层采空区纵断面示意 4 结论 探地雷达技术因其高效、 便携、 高精度、 信号连 续采集等优点， 被广泛用于在建隧道煤层采空区探 测 中。为更好地发挥该技术的优势及潜力 ， 必须将 增刊 吴德胜等 隧道煤层采空区的探测技术 1 9 探地雷达技术的优、 缺点与隧道地质、 实际问题结合 起来 ， 并采用合理的工作方法 ， 正确的测试参数进行 探测。通过工程实例， 证实了探地雷达用于隧道隐 伏煤层采空区探测的高效性， 并指导了钻探的布设， 不仅使钻探有的放矢， 还避免了勘探范围小、 成本高 的缺点 ， 有效指导了隧道施工和病害处理。同时 ， 通 过超前钻孔验证 了探地雷达用于隧内隐伏煤层采空 区探测的有效性、 高效性和精确性。 参考文献 [ 1 ] 李 晓红 ， 姜德义 ， 刘春 ， 等 ． 公路 隧道穿越采 空区治理技术研 究 [ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 5， 2 6 6 9 1 0 9 1 4 ． [ 2 ] 王立会 ， 潘冬 明 ， 张兴 岩． 三种探测 煤层采 空区 的方法 [ J ] ． 物 探与化探 ， 2 0 0 8 ， 3 2 3 2 9 1 9 4 ． [ 3 ] 冯兵， 孙渊． 工程及水文物探教程[ M] ． 西安 陕西人民教育出 版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 赵颖． 高密度电法探测地下采空区应用研究[ J ] ． 山西建筑， 2 0 0 8， 3 4 2 4 1 5 01 5 1 ． [ 5] 于国明 ， 李静 ， 韩革命． 综合物探 方法在 深部煤 层采 空区检 测 中的应用研 究[ J ] ． 陕西地质 ， 2 0 0 3 ， 2 1 2 6 2 6 9 ． [ 6 ] 王红伟． 煤矿采空区探测方法的研究[ J ] ． 太原科技， 2 0 0 9 5 5 86 2． [ 7 ] 曾昭发， 刘四新 ， 王者江， 等． 探地雷达方法原理及应用 [ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 6． [ 8 ] 吴丰收， 曾昭发 ， 黄玲， 等． 探地雷达的高阶时间域有限差分模 拟[ J ] ． 物探化探计算技术， 2 0 0 9 ， 3 1 4 3 0 8 3 1 3 ． [ 9] 吴丰 收． 混 凝土 探测 中探 地雷达 方法 技术 应用研 究 [ D] ． 长 春 吉林 大学 ， 2 0 0 9 ． [ 1 O ]吴丰收， 曾昭发， 王德库， 等． 沥青心墙压实度的探地雷达探测 研究 [ J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 9， 2 4 2 7 4 27 4 9 ． A TENT ATI VE DI S CUS S I ON ON DETECTI ON TECHNoLoGY oF CoAL S EAM GoAF I N A T UNNEL W U De - s h e n g，WU F e n g s h o u，S U Yo u c a i ，HUA X i a o mi n g ，L I Ca n g - s o n g C h i n a R e i l w a y S o u t h w e s t R e s e a r c h I n s t it u t e C o ． ， L t d ． ， C h e n g d u 6 1 1 7 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r fi r s t d e s c r i b e s t h e a d v e r s e e f f e c t o f c o a l s e a m g o a f i n t u n n e l o n t u n n e l c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n，a n d t h e n c o m p a r e s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i o u s g e o p h y s i c al t e c h n o l o g i e s i n t h e l i g h t o f s p e c i fi c wo r k s p a c e o f t h e t u n n e 1 ．GP R t e c h n o l o g y w h i c h h a s a s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y a n d h i g h e ffic i e n c y i s a d o p t e d t o d e t e c t t h e c o a l s e a m g o a f ．C o mb i n e d w i t h s e v e r a l e n - n e e r i n g e x a mp l e s ，t h i s p a p e r a n aly z e s t h e c o a l s e a m g o a f d e t e c t i o n i n h i【 g h ri s k t u n n e l b y u s i n g G P R t e c h n o l o gy ，a n d v e ri fi e s t h e v abd i - t y a n d a c c u r a c y o f GP R． Ke y wo r d s t u n n e l ；g o a f ；t u n n e l ；G r o u n d P e n e t r a t i n g R a d a r ；a d v a n c e d d e t e c t i o n 作者简介 吴德胜 1 9 7 4 一 ， 男， 四川德阳人， 高级工程师， 2 0 0 0 年毕业于吉林大学应用地球物理专业 ， 获学士学位， 现从事隧 道超前预报、 工程物探等工作。