黃 河,馮 宇,嚴家平,胡雄武,尚相春
(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001;2.淮北礦業(yè)<集團>有限責任公司,安徽 淮北 235000)
采煤區(qū)地表拉張裂隙形成是一個復雜的巖土力學時空演變過程,地質(zhì)條件、開采工藝、第四系松散層物理力學性質(zhì)等對拉張裂縫的形成與演化影響較大[1-3]。何國清等[4]研究表明在相似開采地質(zhì)條件下,塑性大的表土層產(chǎn)生地裂縫步距較大,地裂縫尺寸也較大,但裂縫條數(shù)相對較少。胡振琪等[5]研究表明風沙區(qū)地表賦存較厚風積沙,具有高孔隙度和半流動性特征,力學強度差,地裂縫具有較強自修復特征。采煤區(qū)地表拉張裂隙的產(chǎn)生破壞了原有土層結(jié)構(gòu),加速了地表水和土壤養(yǎng)分的流失,造成嚴重的水土流失、植被破壞和地質(zhì)災(zāi)害等危害[6-8]。
地裂縫發(fā)育密度、寬度及深度對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響非常關(guān)鍵,因此快速、精準查明地裂縫發(fā)育深度、寬度等,對于礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理具有重要意義。目前針對地裂縫發(fā)育特征調(diào)查多采用現(xiàn)場測量與監(jiān)測[9],李亮等提出采用三維激光掃描[10]技術(shù)開展地裂縫調(diào)查;胡振琪等[11]圍繞西部風沙區(qū)高強度開采動態(tài)地裂縫發(fā)育特征開發(fā)了一套采動地裂縫發(fā)育規(guī)律的監(jiān)測裝置;李娜娜等[12]基于高密度電法對沉陷區(qū)地表裂隙密度和寬度調(diào)查開展試驗研究。探地雷達技術(shù)近年來也不斷應(yīng)用于拉張裂隙調(diào)查,李遠強[13]利用探地雷達技術(shù)開展了地裂縫探測的研究。本文利用探地雷達技術(shù),重點開展采煤區(qū)地表拉張裂隙深度探測研究,為采煤區(qū)地表拉張裂隙精準探測與地質(zhì)環(huán)境治理提供技術(shù)保障。
本次研究區(qū)選擇孫疃煤礦1047工作面。孫疃煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi),屬淮北礦業(yè)(集團)有限責任公司所屬國有煤礦,年產(chǎn)煤炭180×104t。
1047工作面是孫疃煤礦當前主采工作面。1047工作面走向長560m,傾向?qū)?20m,切眼方向為150°,機巷、風巷方向為60°。1047工作面采高約3.3m,采煤方法為綜采法,主要回采10煤,采深-380.4~-427.3m,上覆第四系松散層厚約200m。
孫疃煤礦1047工作面回采期間,與切眼方向近平行的“橫向裂隙”和與風巷(或機巷)近平行的“縱向裂隙”均發(fā)育明顯,裂隙長度從十幾米到一兩百米不等,寬度從幾毫米到幾十厘米不等;深度幾米到十幾米不等,橫向裂隙分布間隔8~12m左右,縱向裂隙分布間距6~15m左右。縱向裂隙發(fā)育隨著采煤活動推進呈現(xiàn)產(chǎn)生—發(fā)展—趨穩(wěn)的規(guī)律,而橫向裂隙發(fā)育則呈現(xiàn)產(chǎn)生—發(fā)展—減弱—閉合的規(guī)律。裂隙發(fā)育對地表形態(tài)、土壤質(zhì)量、植被生長、道路、堤壩及房屋安全等造成較大影響。
拉張裂隙發(fā)育深度、寬度對其地質(zhì)環(huán)境影響至關(guān)重要,為了查明1047工作面地表拉張裂隙發(fā)育特征,本次研究采用坑探法開展測量。坑探選擇在4條比較典型的拉張裂隙上,試坑開挖尺寸(長×寬×深)為150cm×120cm×150cm,開挖時分3個臺階,開挖后實測坑內(nèi)拉張裂隙深度、寬度。
坑內(nèi)拉張裂隙深度、寬度直接測量結(jié)果詳見表1。由于受試坑尺寸制約,無法直接準確量測裂隙深度,本次研究還根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行擬合分析,推斷拉張裂隙發(fā)育深度,擬合曲線見圖1。根據(jù)擬合曲線可知,坑1裂隙發(fā)育深度約7.6m,坑2裂隙發(fā)育深度約7.3m,坑3裂隙發(fā)育深度約6.8m,坑4裂隙發(fā)育深度約6.5m。
圖1 拉張裂隙發(fā)育寬度與深度擬合曲線
表1 坑內(nèi)裂隙深度、寬度實測值
由于拉張裂隙發(fā)育深度較大,受坑探法施工難度限制,采用坑探法無法直接測量出拉張裂隙發(fā)育深度,只能通過擬合分析間接獲得拉張裂隙發(fā)育深度,這對于準確掌握采煤區(qū)拉張裂隙發(fā)育深度及地質(zhì)環(huán)境影響有很大制約。
為了更好地探測采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育深度,本次研究采用探地雷達對地表拉張裂隙發(fā)育深度進行探測。探地雷達是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波,電磁波在地下介質(zhì)傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射,返回地面后由接收天線所接收,根據(jù)接收到的電磁波波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。
本次探測采用瑞典RAMAC/GPR系列便攜式高精度探地雷達,該儀器的特點是分辨率高,擅長于進行大數(shù)據(jù)量、高密度的連續(xù)探測并實時顯示彩色波形圖,適合本次研究需要。
本次研究結(jié)合裂隙發(fā)育特點共布置了2條測線,分別記為SL1和SL2,其中SL1為南北向,長度約55m(坑探點位于此測線上);SL2為東西向,長度約106m,測線布置詳見圖2。針對測線SL1和SL2,現(xiàn)場選擇非屏蔽天線100MHz進行測試。GPR現(xiàn)場采集參數(shù)設(shè)置見表2。
表2 GPR數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置(100MHz)
圖2 探地雷達測線布置示意圖
SL1和SL2兩條測線上的地質(zhì)雷達測試結(jié)果見圖3、圖4。經(jīng)對地質(zhì)雷達波響應(yīng)特征分析,拉張裂隙發(fā)育位置及深度詳見表3。
表3 探地雷達測試分析結(jié)果
圖3 SL1測線地質(zhì)雷達測試結(jié)果(100MHz天線)
圖4 SL2測線地質(zhì)雷達測試結(jié)果(100MHz天線)
利用探地雷達探測到的拉張裂隙位置與實際測量結(jié)果具有較好的一致性,其中現(xiàn)場開挖的試坑所處裂隙分別對應(yīng)于探地雷達測線SL1上第①、②、③、④條裂隙,將這兩種方法探測的拉張裂隙深度進行對比(對比結(jié)果詳見表4),由對比結(jié)果可知,對于拉張裂隙發(fā)育深度,探地雷達探測結(jié)果與坑探測量擬合分析結(jié)果高度一致,且位置與現(xiàn)場實測吻合度較好,表明探地雷達用于探測礦區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育位置及深度效果良好,為拉張裂隙調(diào)查提供了廣闊的應(yīng)用前景。
表4 探地雷達探測深度與坑探擬合深度對比
采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育對礦區(qū)水土保持、土壤質(zhì)量、地質(zhì)環(huán)境造成較大影響,快速準確地探測拉張裂隙的發(fā)育位置及規(guī)模對于開展地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與環(huán)境治理具有重要意義。探地雷達技術(shù)利用其分辨率高、連續(xù)探測的優(yōu)點,可以精準探測采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育位置、深度,在采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育特征調(diào)查方面具有良好的應(yīng)用前景。