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地质雷达在深部煤巷松动破坏范围探测中的应用郭小兵，米文川，岳帮礼（中煤第五建设公司第四十九工程处 河北邯郸 056003）摘 要：基于探测围岩松动圈对煤矿巷道支护的重要性，介绍了地质雷达的特性及其探测巷道围岩松动圈范围的工作原理，结合巨野矿区某矿千米深井1304顺槽现场实测，对地质雷达探测技术的应用过程进行了阐述。结果表明，采用地质雷达探测巷道围岩松动圈是可行的。并将探测得到的巷道断面松动破坏范围数据应用到巷道的支护设计中，取得了较好效果。关键词：深部煤巷；地质雷达；探测；围岩松动圈；支护设计中图分类号：TD324 文献标志码：AIn deep geological radar coal roadway loose the application area of damage detectionGUO Xiao-bing ,MI Wen-chuan（The fifth construction company of the 49 Engineering Department, Handan, Hebei, 056003）Abstract: Based on the detection of roadway surrounding rock loose circle on coal mining process importance, this paper introduces the characteristics of geologic radar and its detection of surrounding rock loose circle of working principle, combined with Juye mining area of 1000m deep mine1304trough the field measurement, the geological radar detection technique are described. The results show that, using the geological radar detection of roadway surrounding rock loose circle is feasible. And will be detected by loosening damage scope of tunnel cross section data is applied to the design of the roadway support, obtained better result.Key words: Deep coal roadway; Geological radar; Application; Surrounding rock loose circle1 概述大量研究资料表明，在煤矿工程等地下工程中，围岩松动圈是普遍存在的，其对地下工程的稳定性影响很大1。国内外许多学者对此进行了深入研究，其中，围岩松动圈巷道支护理论在煤矿工程中得到广泛应用，并取得了良好的技术经济效益。而这些理论的应用都需要知道围岩松动圈的范围，因此，测试围岩松动圈的范围具有重要的现实意义。本文在对地质雷达探测围岩松动圈的工作原理研究的基础上，应用地质雷达物探技术对巨野矿区某矿千米深井1304顺槽的围岩松动圈范围进行了探测，并将探测结果应用到生产实践中，为支护设计和安全生产提供了技术保障。2 地质雷达工作原理探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用频率介于106109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器，其主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备（计算机）组成。图1 探地雷达基本原理Fig. 1 The basic principle of ground penetrating radar探地雷达的基本原理2如图1所示。发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，可根据反射波的旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。电磁波在介质中的传播速度主要由介质介电参数决定,因此电磁波在介电性质不同的介质中的传播速度不同,雷达波的传播速度可以近似表达如下： (1)式中：c为电磁波在空气中的传播速度，为介质的介电常数。电磁波的反射是地质雷达技术应用的基础,电磁波在不同电性介质间传播时会在电性分界面上产生反射,反射波的能量由反射系数决定： (2)反射系数决定了到达反射界面的电磁波能量中被反射部分的大小,从反射系数式中可以看出当两种电性介质的介电性相差越大反射能量越强。一般，在岩石介质中，节理、裂隙、断裂等会引起电性变化,岩石在应力作用下发生破坏，并会产生微震和声波3。在巷道围岩松动圈中，电性差异非常复杂，电磁波在其中传播时，波形较为杂乱，反射波强度较低且无明显的同相轴。而围岩松动圈外边界两侧岩体松散程度差异较大，电磁波经过该边界时必然发生较强发射，因此根据发射波组的雷达图像特征即可分析松动圈的范围。3 现场应用3.1 工程地质概况1304顺槽埋深近千米，煤层厚度2.88.2米，平均煤厚6.26米；煤层倾角26，平均3；普氏系数（f）一般在0.82.5左右；伪顶为泥岩，厚度02.93m，平均厚度0.98m，直接顶为粉砂岩，夹杂部分粉砂质泥岩，厚度011.07m，平均厚度6.4m，老顶为中细砂岩，厚度7.412.20m，平均厚度10.33m，直接底为泥岩，厚度03.1m，平均厚度1.0m，老底为细砂岩，厚度2.1511.76m，平均厚度8.67m。根据原岩应力测试资料，最大主应力为水平应力，大小为36.4MPa，方向为NE7583，最大水平应力为最小水平应力的1.151.45倍，为垂直应力1.471.48倍。巷道围岩地质条件复杂，裂隙发育，岩体破碎，支护困难。3.2 探测方案及实施3.2.1 测区选择在1304顺槽典型区段布置了6个监测断面进行地质雷达松动破坏范围探测。根据前期钻孔电视及顶板离层仪监测结果，为了能够探测迎头附近围岩在掘进过程中松动圈发育规律，在1304回风顺槽布置如下地质雷达测区，见图2。图2 测区位置Fig. 2 Measurement of area3.2.2 天线选型地质雷达探测时采用SIR-3000型地质雷达，根据煤体介电常数及井下初测结果，采用高精度的400MHz天线。3.2.3 测线布置为了全面分析围岩松动破碎范围及其规律，在断面的顶底板和两帮布置横向和纵向测线。在每个测区的顶板、两帮和底板均布置有沿截面和轴向方向的测线，测线长度2.44.8m。具体布置方法见图3。 巷道正视图 巷道侧视图图3 测线布置Fig. 3 Line layout3.3 探测结果地质雷达的探测结果如图4所示，受篇幅所限，本文仅列出5#测区顶板横向探测的雷达波形图。图中左侧轴为时间，右侧轴为深度，横轴为移动距离。图中白色线为松动破坏分界线。图4 5#测区顶板雷达波形图Fig.4 5# sensing area roof radar waveform在探测工作进行完之后，对采集到的数据进行整理统计分析（受篇幅所限此处不一一列出），并将统计结果与钻孔电视以及顶板离层仪等相关探测数据结合，相互印证分析，最终得到围岩松动破坏区的大小，如图5所示。 1#测区 2#测区 3#测区 4#测区 5#测区 6#测区图5 围岩松动破坏区范围探测结果分析图(单位m)Fig.5 Surrounding rock loose zone range detection results analysis ( unit:m)3.4 工程建议根据地质雷达的围岩松动圈探测结果提出如下支护优化设计建议：1）根据巷道的围岩松动圈大小，可适当增加锚杆长度，如顶板松动破坏区的大小一般为1.92.3m，在考虑经济性的前提下，顶锚杆长度可设计为2400mm；2）巷道围岩松动圈较大，围岩较破碎，可适当增大锚杆和锚索的预警力，特别是提高顶板支护的强度和刚度，以有效的控制巷道围岩的变形和破坏。4 结语 1）通过地质雷达探测技术可有效的测出煤巷围岩松动圈的范围，1304顺槽6个测区探测结果表明，松动破坏深度一般超过2.0m，为大松动圈软岩巷道，其稳定性差，支护难度大。2）同一断面不同部位松动圈尺寸不同，顶板和两帮煤层中松动圈较大，底板砂岩中松动圈较小。3）根据地质雷达探测的围岩松动圈范围，对巷道的原支护设计进行优化，适当增加锚杆长度以及预警力大小，并应用到生产实践中，取得了较好的支护效果。参考文献：1 宋宏伟, 王闯, 贾颖绚. 用地质雷达测试围岩松动圈的原理与实践J. 中国矿业大学学报, 2002, 31(4): 370-373.2 李大心 探地雷达方法应用M.北