内容发布更新时间 : 2024/5/19 0:07:53星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

图4.4 2-4孔间断面不同时段声波CT测试速度场分布图

(a)采前 (b)采中 (c)采后

随着采面的继续推进，顶板岩体冒落，底板岩体经历采后再压缩过程，图4.4(c)为采后底板岩体基本稳定后速度场分布，它表征了岩体最终的裂隙发育状态，可以看出此阶段的速度场分布比图4.4(b)中速度场分布在浅部岩层中略有增大，说明岩体裂隙受压后孔隙度有所降低，而在中下部略有减小，按速度减小20%（相对于采前正常场）且相对稳定的区域划分破碎后导水裂隙发育区，可以得到2号孔孔深30m以浅位置和4号孔孔深27m以浅位置划定为底板破坏导水裂隙发育范围，相对煤层底板垂直深度11.6～12.3m。

利用弹性波CT探测煤层开采引起的底板破坏深度直观准确，效果可靠，实现了面积测量，特别是探测结果反映出底板破坏的动态变化规律，对于承压水上采煤具有重要的指导意义。弹性波CT探测方法对于采矿活动引起的其它岩体破坏，如覆岩变形破坏、巷道开挖围岩破坏等，探测方法同样适用。

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5 地质雷达探测技术及其应用

地质雷达（又称探地雷达）是利用超高频（10～10HZ）脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理探测方法。实践表明，地质雷达是一种高分辨率探测技术，它可以分辨地下10m尺度的介质分布，可以对浅层地质问题进行详细分层调查，也可以对地下浅部掩埋目的体进行无损探测[12]。随着计算机技术及数字处理技术的发展，地质雷达在工程地质勘察，灾害地质调查，公路工程质量的无损检测，考古调查以及工程施工质量监测等诸多领域中得到广泛应用。近年来，在国内外全面开展了地质雷达技术用于矿区井下探测顶、底板及回采工作面前方小断层、老窑、岩溶分布及探测煤厚、充水小构造、陷落柱和巷道围岩松动等地质问题的研究工作，并取得了较好的地质效果[13]。

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5.1 探测原理

探地雷达是利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收，当地下介质中的波速v为已知时，可以根据测到的精确时间t值，求出反射体的深度（m），如图5.1所示。电磁波在介质中传播时，其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几

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何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构或地质体的空间位置。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰阶或彩色表示。这样同相轴以等灰度或等色线即可形象地表征出地下反射面。

图5.1 探地雷达原理示意图

5.2 工作方法

利用地质雷达进行探测时，根据探测目标和位置的不同，通常采用以下几种方法。 5.2.1同位发射——接收法

在同一点位设置发射天线和接收天线，同时发射脉冲信号和接收目标反射信号，根据回波信号走时来计算目标距离和位置。在井下掘进工作面超前探测时，发射点（T）和接收点（R）相距在0.5 ~ 1m的位置上架设天线。架设天线时，要先铲平工作面岩层，将天线紧贴煤壁或岩壁，并用金属网将四周围好，避免漏场。 5.2.2剖面法与多次覆盖法[12] (1)剖面法

发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动（图5.1）。发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。当发一一收天线同步沿测线移动时，就可以得到由多个记录组成的地质雷达时间剖面图像。横坐标为天线在地表测线上的位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接受天线的双程走时。这种记录能准确地反映测线下方各个反射面的起伏变化。这种方法能在地面施工、井下巷道底板探测和侧壁探测中使用。 在使用同位发射——接收法和剖面法施工时，反射电磁波的旅行时间由下式计算： tR?2 （5.1） (s2?4d2)VG式中tR为回波双程走时，ns；VG 为电磁波在地层中的传播速度，m/ns；S为发射天线与接收天线的距离，m；d为反射界面的法线深度，m。 (2) 多次覆盖（共深点）方法

地质雷达探测来自深部界面的反射波时，由于信噪比过低，不易识别回波。这时可采用类似于地震的多次覆盖技术

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，应用不同天线距的发射——接收天线对同一测线进行重复测

量，然后把所得的测量记录中测点位置（共深点）相同记录进行叠加处理，能增加所得记录对地下介质的分辨率。

5.3 仪器设备

地质雷达仪多采用脉冲发射，而脉冲波有调制方式和直接脉冲方式两种。目前使用的多

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为时域地质雷达仪，主要有加拿大EKKO系列、美国SIR系列和瑞典RAMAC系列，这些系列为调制方式脉冲波；国产仪器主要是煤科院重庆分院KDL系列，为直接脉冲方式。

5.4 应用实例[14]

某煤矿地表三采十一层煤露头区及七采二、四，六层煤露头区位于小汶河北岸，由于盗采盗挖及滥取沙土，造成大量盗采坑和采沙坑，形成地表水泻入井下的良好通道。而且六层煤底板一灰与十一层煤底板三灰在岩溶裂隙发育地段也会形成地表水导入井下的主要途径。特别是在雨季小汶河水倒灌极易造成溃水淹井事故，严重威胁矿井安全生产，增加了矿井的排水费用。因此，拟在此区进行灰岩浅截帷幕注浆工程进行治理。但由于灰岩岩溶裂隙发育地段分布不清，给注浆布孔带来困难。通过采用探地雷达探测，查明了煤柱破坏情况和灰岩岩溶裂隙发育地段分布范围，成功地解决了这一问题。 5.4.1工作方法及工程布置

采用瑞典RAMAC/GPR型探地雷达，通过条件实验，选用25MHz探测天线。发射天线与接收天线间距为4m。采样时窗为2000ns，可以保证探测深度达50m，点距为0.5m，重叠次数128次，采用反射剖面法进行工作。根据探测目的和任务，共设计布置2条探测线。

5.4.2标志层的雷达波反射特征

通过对全区雷达时间剖面与已知地质资料的对比分析，本区主要地层介质的雷达反射波特征如下：

①第四系底界面反射波 第四系底部大部分为流砂层，与下伏的不同风化程度的砂岩电性差异较大，能形成较强的反射波，该反射波的能量与下伏岩石岩性及其风化程度关系较大，基岩风化越严重，则两者电性差异越小，该反射波的能量则越弱。如图5.2所示 ②灰岩反射波 测区内浅部地层中需探测的灰岩主要有三灰、一灰，三灰为泥质灰岩，厚度0.7~1.2m，是十一层煤的底板，其下为砂质页岩。三灰与煤11电性差异不大，二者能形成一组复合波，在煤层厚度及结构变化不大的情况下，其能量强弱主要是三灰的岩性结构状态的反映，在三灰较致密段，雷达反射波能量强 ，在三灰裂隙发育带，雷达反射波能量明显减弱。一灰厚度约5m，与其顶底板岩性差异较大，电性特征差别明显，能形成较强的反射波，但在一灰裂隙发育带，雷达反射波能量明显减弱，如图5.3所示。

图5.2 第四系底界面反射波 图5.3 灰岩反射波

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5.4.3探测成果

根据上述解释方法，对所有测线时间剖面分别进行对比解释，在平面上对采空区边界和裂隙发育带进行了圈定，由于测区地层倾角较大且有一定的角度变化，因而需对目的层边界进行偏移归位，最终划定裂隙发育带分布范围。

①测区内三采三灰岩溶裂隙比较发育，但不均匀，雷达局部反射波能量偏弱的区段是裂隙极发育带，这些异常段是注浆封堵治理的重点位置。

②七采一灰岩溶裂隙也比较发育，并且在走向方向上其分布具有不均匀性 ，雷达局部反射波能量偏弱的区段是裂隙极发育带，这些异常段是注浆封堵治理的重点位置。

6 高分辨率三维地震勘探

二十世纪八十年代以来，我国成功地开发、应用和推广煤田高分辨率地震勘探技术，该项技术主要优点是可以查明松散层底界、煤层层数（甚至其明显的厚度变化）、底板以下含水层（主要是灰岩）位置、地质构造形态、主要断层（甚至能控制到断距5m左右）、明显的岩溶发育带（甚至岩溶陷落柱）以及明显的岩性变化等。它效率高，获取的地质信息量大，且能长期应用，是用以查明矿区较大范围的地质、水文地质条件的重要手段。早期主要为二维高分辨率地震勘探，基本上能查明落差大于10～15m的断层，煤层底板深度误差≤2%～3%，使地震勘探从单纯的资源勘探步入开发勘探。九十年代中期以来，高分辨率三维地震勘探在采区开发勘探中发挥了极其重要的作用，在地震地质条件较好的地区，能够查明埋深400～800m深度范围内落差大于或等于5m的断层，幅度大于5m的褶曲以及陷落柱等地质体，可部分识别出落差小于5m的断层与断点，煤层底板深度误差≤1%～2%，从而使煤田地震勘探精度和分辨率又上了一个新台阶。

6．1 理论基础

6．1．1 波动理论[15,16]

高分辨率地震勘探以反射波勘探为主，现有的反射法波动理论，常用绕射叠加原理和散射原理叙述，二者实质是相同的。这里介绍绕射叠加原理。

1．惠更斯-菲涅尔原理

惠更斯-菲涅尔原理（绕射叠加理论）：地震波从炮点激发后，以球面波方式向下传播，碰到反射界面后，把反射界面上每一个点看作是一个新震源，再从新震源发出二次扰动，向四面八方传播，对某一接收点P而言，它所接收的反射波就是界面上所有扰动波的叠加总和。具体地说，就是将反射界面视作许多小反射面元产生的绕射波按传播路径差异，在时间上错开并考虑能量的大小后，一个个叠加起来，作为P点接收到的反射波。在P点接收到的波动的能量并不是来自反射界面的某一点，而是来自界面上的所有点。就波场函数为球面波的情形，且不考虑外力的作用，纵波方程可表述为：

?2u?2u?2u1?2u?2?2?22 （6.1） 2?x?y?zvp?t1?2u?0 即 ?u?2vp?t2式中：u—波场函数，u = u (x, y, z, t)；vp—纵波波速。 2．绕射波时距方程

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一段界面上的反射波可以看成由界面上许多面元产生的绕射波叠加的结果。因此，地下的一绕射点，在地面许多点观测，所得点绕射时距图用图6-1表示。设绕射点D的坐标是(x0, y0, z0)；D点以上的速度为v，且介质均匀，激发点坐标为O，接收点R在地面上的坐标是(x, y)。则绕射点由O经绕射点D到接收点R的旅行时t为：

t?1v?2222x0?y0?z0?(x?x0)2?(y?y0)2?z0

?其中第一项是常数，t1 = OD/v。图6-1中的时距曲面是旋转双曲面，极小点位于(D?,t1)，D?是D点在地面的投影。

对于二维地震来讲，时距方程为双曲线。

图6-1 点绕射时距曲面

6．1．2 射线理论（几何地震学）

几何地震学是通过研究波前和射线的形态来观察地震波的传播过程。射线理论是以惠更斯原理、费马原理和斯奈尔定律为理论基础的。 1．惠更斯原理

从运动学角度看，惠更斯原理是当已知任何的空间速度分布为v (x, y, z)时，根据t0时刻的波前位置，可以得出下一个时刻t的波前位置。其原理用解析式描述为： (?t2?t?t1 （6.2） )?()2?()2?2?x?y?zv(x,y,z)式（6.2）称为时间场微分方程。满足该方程和它的边界与初始条件的函数t (x, y, z)就是时间

场函数，当t为常量时，就是波前面的空间位置。

2．费马原理 费马原理即“时间最小”原理。波从一点到另外一点的传播是沿着最小时间的路径走的，这个路径就是射线，它垂直于运动的波前面。数学表达为沿着某个曲线L求解泛函的极值问题，即：

t?ds?v(x,y,z) （6.3）

3．斯奈尔定律

地震射线在遇到波阻抗分界面时将产生反射和折射。在均匀介质情况下，符合入射线、反射线和折射线位于入射线的同一法向平面内；入射角?、折射角?和反射角?遵循斯奈

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