CN102590874A - 一种山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于开采沉陷预计和探地雷达的山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法，属土壤和环境监测技术领域。该方法基于开采沉陷预计和探地雷达技术，包括：水田内地表裂缝可能区域的初选；探地雷达测线布设；探地雷达天线选择及现场探测；探地雷达采集数据的处理；渗水实验进行地表裂缝的验证及综合分析与诊断：由此确定地表裂缝的分布特征及漏水程度。本发明将探地雷达探测手段应用于山地采煤沉陷水田地表裂缝探测，实现沉陷水田地表裂缝空间位置的准确定位，为山地采煤沉陷水田治理提供技术支撑。

Description

一种山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法

技术领域

本发明属土壤和环境监测技术领域，特别涉及基于开采沉陷预计和探地雷达的山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法。

背景技术

中国山地地形复杂、采煤沉陷地损毁形式多样，包括地表下沉、地表裂缝、塌陷坑等。其中由于采煤沉陷影响水田表层土壤出现裂缝，导致水田表层土壤的持水能力被破坏，山地区水田漏水变为旱地，是山地水田失水的主要原因之一，且地裂缝发育存在隐蔽性，因此找出土壤中地表裂缝是山地水田漏水治理中的关键。

开采沉陷预计方法是根据采矿区域的地质采矿条件，计算出受此开采影响的岩层和地表变形破坏的工作，预计的结果可以相对定量的得出受开采影响区域的时空分布规律，是目前研究井工矿开采沉陷工作的重要方法之一。而开采沉陷学的沉陷预计原理与方法可以估测出沉陷损毁的范围和裂缝发育的可能区域，但不能准确和定量确定裂缝发育情况。

探地雷达是近几年迅速发展起来高分辨率高效率的无损探测技术，是目前工程检测和勘察最为活跃的技术方法之一，在岩土工程中的应用日趋广泛。目前探地雷达技术已应用到各个行业，如采矿工程、水利水电工程、地质工程和岩土工程勘查、建筑工程、桥梁道路、隧道工程、管线勘测、环境检测、考古等方面，但目前少有用于采煤沉陷水田地表裂缝调查的实例。探地雷达技术用于采煤沉陷水田地表裂缝探测在原理上可行，只是缺乏实际例证。

土壤入渗是指降水或灌溉水从土壤表面渗入土壤形成土壤水的过程，属于土壤水运动的一部分，是降水、地表水、土壤水和地下水相互转化过程中的一个重要环节。土壤入渗特性是评价土壤水源涵养作用和抗侵蚀能力的重要指标，土壤的入渗特性受到许多内在因素的影响，诸如：土壤剖面特征、土壤含水量、导水率及土壤表面特征等，而导水率又取决于土壤孔隙的几何特征(孔隙度、孔隙分布及弯曲度)、流体密度和黏滞度、温度等因子，故不同地域和不同的土壤状态会形成特定的入渗特性。当以上影响土壤入渗特性的因素发生变化时，特别是土壤中出现采煤沉陷地表裂缝导致土壤导水率发生变化时，会导致入渗异常区域土壤入渗特性变化。

基于开采沉陷预计和探地雷达的山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法的难题在于：

1)山地地形条件和地质环境复杂，水田地表裂缝人肉眼无法直接观察，地表裂缝可能区域确定困难，干扰信息多；

2)探地雷达探测参数选择难，探测环境复杂，直接影响地表裂缝探测精度；

3)探测土壤为非均匀介质，电磁波传播规律复杂，雷达数据处理难度大。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，针对水田地表裂缝人肉眼无法观察到的现状，提出了基于开采沉陷预计和探地雷达的山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法，本方法综合考虑土壤厚度、土质、裂缝宽度等探地雷达探测影响因素，选择合适的探地雷达天线及探测参数，对沉陷水田地表裂缝空间位置的准确定位，为山地采煤沉陷水田治理提供基础支撑。

本发明提出的一种山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法，其特征在于：该方法基于开采沉陷预计和探地雷达技术，具体包括以下步骤：

1)水田内地表裂缝可能区域的初选：利用矿山生产的开采计划和开采沉陷预计方法进行采煤沉陷区预计，得出采煤沉陷区内地表裂缝预计的分布与走向；并通过实地踏勘得到水田失水变为旱地的区域；将调查中得到的水田失水变为旱地的区域、井下工作面(可通过矿山生产的开采计划获得)与采煤沉陷区内地表裂缝预计的分布叠加，即可得到水田内地表裂缝可能区域(即由于采煤沉陷地表裂缝引发水田漏水(漏水是水田失水的原因之一)变为旱地的可能区域)；

2)探地雷达测线布设：在步骤1)获得的水田内地表裂缝可能区域内，布设探地雷达测线，使探地雷达测线经过且垂直于地表裂缝方向；探地雷达测线及其延长线形成网状布线，同时利用GPS(手持)记录探地雷达测线始、末位置的空间坐标信息，并生成水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线图；

3)探地雷达天线选择及现场探测：选择天线主频在200～1500MHz范围内的2-3种探地雷达天线(选择需根据不同的探测深度和土体环境，如土壤含水量、土壤质地等因素通过试验进行选择)，沿着步骤2)布设的测线进行现场探测；进行现场探测时，在探地雷达仪器中输入雷达参数包括：时窗为30-60之间、采样率为512或1024、叠加次数为1-3次；探测中探地雷达仪器以1.1-1.3m/s速度匀速前行，获得水田内地表裂缝可能区域的探地雷达采集数据；

4)探地雷达采集数据的处理：包括前期处理-雷达图像分析-找出探地雷达测线异常线三个步骤；

41)对步骤3)中采集的探地雷达数据采用消除随机噪声、增益、滤波、降低背景噪声和余振影响方法进行前期处理；

42)对前期处理后的数据进行雷达图像分析，(图像分析的目的是对雷达图像进行辨识，一般而言：均匀介质(地层)中探地雷达的图像为同相轴连续的图谱；如果出现裂缝或异常，雷达图像上会出现断开、错动等异常图谱；裂隙密集带在雷达图像上表现为吸收或反射较强；土体破碎带在雷达图像表现为绕射、反射较强。)找出雷达图像出现吸收、绕射、反射的波形；

43)根据雷达图像出现吸收、绕射、反射得到雷达测线异常线，形成水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线异常线图；

5)渗水实验进行地表裂缝的验证：在步骤4)的基础上，在探地雷达测线异常线上布点进行田间渗水实验，验证地表裂缝的存在及漏水程度，并获取探地雷达测线异常线上的土壤入渗率(可对测线异常线采用平均每隔2-4米布设一个渗水实验点，并在实验点进行渗水实验)；

6)综合分析与诊断：测定正常水田土壤入渗率值，与从步骤5)获取的土壤入渗率数据比较，获得土壤入渗率异常点及其特征(土壤入渗率异常点入渗率值高于正常水田，入渗率值越高，裂缝越大或裂缝分布越密集)，形成土壤入渗率异常图，将图上土壤入渗率异常点集中的地方，组成土壤入渗率异常带，即地表裂缝带，由此确定地表裂缝的分布特征及漏水程度。

本发明主要具有以下技术优点：

1)能够准确找到地表裂缝位置。

2)效率高。探地雷达仪器轻便，可连续测量，从数据采集到处理成像一体化，操作简单，采样迅速。

3)结果直观，探地雷达采集图像和渗水实验实时显示，可在野外定性解释。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明的水田内地表裂缝可能区域-井下对照图。

图3为本发明的水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线布设图。

图4为本发明的水田内地表裂缝可能区域探地雷达探测异常线图。

图5为本发明的土壤入渗率测试点图。

图6为本发明的土壤入渗率异常图。

具体实施方法

本发明提出基于开采沉陷预计和探地雷达的山地采煤沉陷水田地表裂缝的探测方法，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明方法的步骤如图1所示，包括：

1)水田内地表裂缝可能区域的初选：利用矿山生产的开采计划和开采沉陷预计方法进行采煤沉陷预计，得出采煤沉陷区内地表裂缝的分布与走向；通过实地踏勘得到水田失水变为旱地的区域。将调查中得到的水田失水变为旱地的区域、井下工作面(可通过矿山生产的开采计划获得)与采煤沉陷区内地表裂缝预计分布叠加，即可得到由于采煤沉陷地表裂缝引发水田漏水(漏水是水田失水的原因之一)变为旱地的可能区域，即水田内地表裂缝可能区域。分析如图2所示：其中采煤沉陷地表裂缝211、采煤沉陷边界线212位于井下采煤工作面上方地表21表面，且采煤沉陷地表裂缝211分布在采煤沉陷边界线212和各采煤工作面边界的沉陷边界213的两边；多个采煤工作面221、采煤沉陷边界线的地下投影222位于采煤工作面所处的地下平面22表面；多个采煤工作面221生产形成采煤沉陷地表裂缝211和采煤沉陷边界线212，采煤沉陷边界线212在地下平面22的投影为222；井下采煤工作面上方地表21与采煤工作面所处的地下平面22，采煤沉陷边界线212与采煤沉陷边界线到采煤工作面所处地下平面的投影222，各采煤工作面边界的沉陷边界213与多个采煤工作面221是地面与地下的相互对应，反应了地表裂缝-井下采煤的空间对应关系；

2)探地雷达测线布设：在步骤1)获得的水田内地表裂缝可能区域内，布设探地雷达测线，使探地雷达测线经过且垂直于地表裂缝方向，且探地雷达测线及其延长线部分形成为网状布线31形式，同时利用手持GPS记录探地雷达测线始、末位置的空间坐标信息，并生成水田地表裂缝可能区域探地雷达测线图，如图3所示：将探地雷达测线及其延长线部分形成的网状布线31布设在井下采煤工作面上方地表21平面上，网状布线31通过且垂直与采煤沉陷地表裂缝211；

3)探地雷达天线选择及现场探测：试验并最终选择2-3种探地雷达天线(探地天线主频为200～1500MHz，选择需根据不同的探测深度和土体环境，如土壤含水量、土壤质地等因素通过实验进行选择)，沿着步骤2)布设的测线进行现场探测。进行现场探测时，需要在探地雷达仪器中输入合适的雷达参数(包括3个雷达参数，其选择范围：时窗为30-60之间、采样率为512(或1024)、叠加次数为1-3次)；探测中探地雷达仪器以1.1-1.3m/s速度匀速前行；

4)探地雷达采集数据的处理：包括前期处理-雷达图像分析-找出探地雷达测线异常线三个步骤。

41)，对步骤3)中采集的探地雷达数据进行消除随机噪声、增益、滤波、降低背景噪声和余振影响等方法进行前期处理；

42)，对前期处理后的数据进行雷达图像分析(图像分析的目的是对雷达图像进行辨识，一般而言：均匀介质(地层)中探地雷达的图像为同相轴连续的图谱；如果出现裂缝或异常，雷达图像上会出现断开或错动等异常图谱；裂隙密集带在雷达图像上表现为吸收或反射较强；土体破碎带在雷达图像表现为绕射、反射较强。)，找出水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线异常线41，如图4所示；

43)根据雷达图像出现吸收、绕射、反射得到雷达测线异常线，形成水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线异常线图(即将测线异常线41在探地雷达测线上截取，得到地表裂缝可能区域内测线异常线图)。

5)渗水试验进行地表裂缝的验证：在步骤4)的基础上，在探地雷达测线异常线上每2-4米布设一个渗水实验点，并在实验点进行渗水实验，验证地表裂缝的存在及漏水程度，并获取探地雷达测线异常线土壤入渗率测试点图。如图5所示中，在选点位置51进行渗水实验，之后进行数据处理，确定各点的土壤入渗率值。

6)综合分析与诊断：测定正常水田土壤入渗率值，与从步骤5)获取的土壤入渗率数据比较，获得入渗率异常点及其特征，形成土壤入渗率异常图，如图6所示，结合正常水田土壤入渗率值的大小确定地表裂缝分布及漏水程度，其中，土壤入渗率异常点61多为集中连片，并组成土壤入渗率异常带，即地表裂缝带，由此确定地表裂缝的分布特征及漏水程度。

Claims (1)

1.一种山地采煤沉陷水田地表裂缝探测方法，其特征在于：该方法基于开采沉陷预计和探地雷达技术，具体包括以下步骤：

1)水田内地表裂缝可能区域的初选：利用矿山生产的开采计划和开采沉陷预计方法进行采煤沉陷区预计，得出采煤沉陷区内地表裂缝预计的分布与走向；并通过实地踏勘得到水田失水变为旱地的区域；将调查中得到的水田失水变为旱地的区域、井下工作面与采煤沉陷区内地表裂缝预计的分布叠加，即得到水田内地表裂缝可能区域；

2)探地雷达测线布设：在步骤1)获得的水田内地表裂缝可能区域内，布设探地雷达测线，使探地雷达测线经过且垂直于地表裂缝方向；探地雷达测线及其延长线形成网状布线，同时利用GPS记录探地雷达测线始、末位置的空间坐标信息，并生成水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线图；

3)探地雷达天线选择及现场探测：选择天线主频在200～1500MHz范围内的2-3种探地雷达天线，沿着步骤2)布设的测线进行现场探测；进行现场探测时，在探地雷达仪器中输入雷达参数包括：时窗为30-60之间、采样率为512或1024、叠加次数为1-3次；探测中探地雷达仪器以1.1-1.3m/s速度匀速前行，获得水田内地表裂缝可能区域的探地雷达采集数据；

4)探地雷达采集数据的处理：包括前期处理-雷达图像分析-找出探地雷达测线异常线三个步骤；

41)对步骤3)中采集的探地雷达数据采用消除随机噪声、增益、滤波、降低背景噪声和余振影响方法进行前期处理；

42)对前期处理后的数据进行雷达图像分析，找出雷达图像出现吸收、绕射、反射的波形；

43)根据雷达图像出现吸收、绕射、反射得到雷达测线异常线，形成水田内地表裂缝可能区域探地雷达测线异常线图；

5)渗水实验进行地表裂缝的验证：在步骤4)的基础上，在探地雷达测线异常线上布点进行田间渗水实验，验证地表裂缝的存在及漏水程度，并获取探地雷达测线异常线上的土壤入渗率；

6)综合分析与诊断：测定正常水田土壤入渗率，与从步骤5)获取的土壤入渗率数据比较，获得土壤入渗率异常点及其特征，形成土壤入渗率异常图，将图上土壤入渗率异常点集中的地方，组成土壤入渗率异常带，即地表裂缝带，由此确定地表裂缝的分布特征及漏水程度。

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