隧道煤层采空区的探测技术

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］：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测深度、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。
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。
物质 空气
水 泥质砂岩
砂岩 泥岩
煤
图 １ 探地雷达测试原理
表 １ 常见介质的典型参数
相对介电常数 ８
８２．３ ６０ ３ ２．５ ２．５
电导率 ／（Ｓ／ｍ） ０ １
０．００１～０．１ ０．００５ ０．１ ０．０００５
速度 ／（ｍ／ｎｓ） ０．３ ０．０３ ０．０１５
０．０２１ ０．００６ ０．０２５
体破碎，同现场了解的情况相符；在 １２～２７ｍ范围 内，雷达反射波明显增强，上、下界限处存在明显的 反射界面，反射面似双曲线状，其间雷达反射波振幅 强，相位错乱，表明此间存在明显的地质异常。图 ３ 中 １４～２７ｍ范围内，雷达反射波形态与图 ２相似， 但相对图 ２的反射波振幅减弱，相位连续性变好。 通过对测线 １和测线 ２的探地雷达剖面分析，结合 地质调查及设计方案，认为在距地表 １２～２７ｍ范围 内存在一处回填的煤层采空区，图 ２、图 ３中的反射 异常区波形差异是由采空区下方填充密实，上方回 填较松软且局部有小空腔引起的。在此后的开挖中 证实了煤层采空区的存在，采空区内填充为腐烂的 木头、矸石及岩块，但下部回填密实，上部回填稀松 且多处有小空腔。
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—采空区的过渡带， 物性差异小，进一步增加了勘探难度。
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、
第 ３６卷增刊 ２０１２年 １０月
物 探 与 化 探
ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．３６，Ｓｕｐｐ．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Ｏｃｔ．，２０１２
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 ６１１７３１）
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，最终选择了抗干扰强、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：Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－８９１８（２０１２）Ｓ１－００１６－０４
３ 应用实例
３．１ 实例 １ 某隧道处 于 进 口 段，岩 性 主 要 为 砂 岩 和 泥 岩。
钻孔揭示，该区域岩体强风化，地下水不发育，局部 有线状水或少量股水。现有资料表明，区域内有多 座煤矿与隧道相交，接近地表的煤层已被全部采空， 局部为矸石填充。研究工作开展前，该隧道掌子面 出现坍塌，并已清理完毕。由于掌子面围岩极破碎， 清理时伴有掉块现象，为确保施工人员安全，已对掌 子面喷混凝土封闭，现场测试时不能观测到围岩新 鲜面。因掌子面搭建有钢架，探地雷达连测难以实 施，于是采用 ＳＩＲ２０型探地雷达，１００ＭＨｚ屏蔽天 线进行点测。在掌子面上布设“井”字形测线，每条 测线的测试点距根据测线位置及障碍物的影响作出 调整。笔者取其中的两条雷达测线，从上至下分别 为测线 １和测线 ２。测线 １的测试点距为 ５０ｃｍ，测 线 ２的测试点距为 ３０ｃｍ，局部因障碍物的影响稍 作调整。测线 １距地表 ２ｍ，两条测线相距 ３ｍ。
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 。 ［１－６］ 国内 对隧道隐伏煤层采空区探测主要采用探地雷达法和
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［７］。 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。
收稿日期：２０１２－０８－３０
增刊
吴德胜等：隧道煤层采空区的探测技术
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电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标体的探 测［９－１０］。探地雷达测试原理如图 １所示。介质间 的电性差异是探地雷达有效探测的条件之一，而且 界面间电性差异大小，在一定程度上决定了分辨率 大小。本次工程实例中的电性差异见表 １，满足探 地雷达使用的先决条件。