地质雷达在煤矿井壁结构探测中的实践应用

1 项目概述

1.1 工程概述

李雅庄煤矿三号井风井建于 2015 年，设计井深296 m，井径 7 m，壁厚 500 mm，其中，表土段、基岩带井壁采用钢筋混凝土结构，其余部分采用素混凝土结构，井壁混凝土设计强度等级均为 C35，钢筋采用HRB335 级。修复前，井壁局部区域表面存在明显开裂渗水、空洞、不密实等缺陷。为深入了解井壁结构内部的质量状况，对井筒标高约 234 m 的范围内进行壁厚、内部质量缺陷现场探测，分析得到结构质量缺陷状况，为井壁结构的安全评估及修复加固实施提供重要依据[2]。

1.2 地质雷达探测原理

地质雷达探测是利用结构内部不同介质的电性差异来进行检测的一种物探方法，它通过雷达发射天线向结构连续发射高频短脉冲电磁波，电磁波在向结构内部传播的过程中遇到电性差异界面时会产生反射，由接收天线接收，连续记录反射信号，即形成雷达剖面记录，根据电磁波的传播时间、波形特征就可以反演得出地层中介质的空间[3]。

2 现场探测

本 次 探 测 采 用 OKO- 2 雷 达 探 测 仪 ， 配 套 使 用AB- 1200u 屏蔽天线。现场探测时，首先对井壁进行统一编号，以井筒底部标高 311.9 m 处为第 1 模，依次向上每间隔 3.6 m 为一个构件且依次编号到井口，然后对标高 311.9～5 460.0 m 范围指定区域进行雷达探测。现场探测时分别对井壁厚度和内部质量缺陷状况进行探测，前者是沿筒壁探测指定区域检测单元的井壁结构同时采用现场钻取小芯样的方法对扫描数据进行修正，对井壁厚度进行分析判断;后者则对指定区域混凝土内部质量状况进行探测，根据雷达图像数据分析内部存在质量缺陷的范围或区域，为四周环向 (顺时针或逆时针) 进行雷达扫描后期维修加固提供参考[4]。

3 探测结果分析

现场探测结果显示，检测区域井壁混凝土厚度差异较大，大部分区域壁厚满足设计要求，局部区域厚度低于设计要求 (约占检测区域的 20%)。根据对雷达探测数据图像的处理结果可知，井壁结构检测区域内部存在一定程度的质量缺陷，例如存在混凝土不密实、杂质、空洞等情况。需要指出的是，雷达分析图谱中信号干扰及雷达波衰减对图谱分析有一定的耦合影响，对不同介质材料的系数调整需要一定的经验，再加上介质含水率的影响，整体分析时存在一定的误差。为此，进行了混凝土芯样的经验系数修正，以减少测试信号干扰的影响。以现场探测中第 43 模 3.2 m 高度处和第 45 模约25 m 高度处雷达探测情况为例，对探测结果进行对比分析和解释。由探测结果可知，第 43 模 3.2 m 高度处井壁结构内部未见明显损伤，部分区域厚度不足500 m;第 45 模约 25 m 高度处井壁内部存在空洞，部分区域厚度不足 500 mm。

4 井壁修复方案及效果

根据对风井井壁检测结果的分析，为确保井壁结构的整体安全，针对井壁结构不同质量缺陷状况，特制定以下方案进行修复加固，其中，部分区域井壁修复及效果如图 1 所示。a) 针对井壁夹杂黄土及蜂窝麻面的质量缺陷，预计修复过程中可能凿穿井壁。先采用锚杆支护，在夹杂黄土或蜂窝麻面周边约 600 mm的范围内打锚杆固定井壁，锚杆间距为 1 500 mm，规格为 Φ20 mm×2 200 mm，托板为钢制蝶形托板，锚固力大于 60 kN。原则上现场施工时尽量不采用锚杆支护。b) 针对厚度为 300～400 mm 的井壁，需先处理该范围内的井壁表面，再粘贴碳纤维布，加固碳纤维布规格为 300 g/m2 ，宽为 300 mm，间距为 100 mm，呈十字交叉布置。施工时在碳纤维布表面结构胶固化前，在碳纤维布表面均匀抛撒一层石英砂，最后在碳纤维布表面均匀刮抹一层聚合物砂浆。c) 针对厚度小于 300 mm 的井壁，需先将该范围内的井壁拆除，拆除时应分段分块拆除，涂刷 JCT- 552型混凝土界面剂，再浇筑 JCT- WG 自密实充填砂浆。d) 由井筒修复后 2 a 多的使用情况来看，修复效果很好，现场无新裂缝产生，也无渗水等质量缺陷存在，井筒运行正常。

5 结语

煤矿立井井壁结构受到高水化热、施工质量等诸多因素的影响，内部存在不同程度的质量缺陷，其安全性和耐久性受到影响。传统的结构检测方法在煤矿井下应用时受到各种因素的制约，需引入新的高效、适用的无损检测技术。由李雅庄煤矿三号井风井井筒修复工程的地质雷达探测结果可知：a) 通过现场探测证明地质雷达可用于探测井壁结构内部质量缺陷的部位、井壁厚度等状况，且由现场探测可知，井壁结构探测区域混凝土厚度差异较大，局部区域厚度小于设计要求。b) 根据雷达探测结果选取典型的位置进行钻孔取芯，得到了钻取芯样的缺陷、结构层厚度等，对探测结果的准确性进行验证;同时进行了混凝土芯样的经验系数修正，以减少测试信号的干扰，通过这种手段来认识质量缺陷在雷达探测图上的特征和表现形式。c) 地质雷达探测过程中会受到客观和主观方面因素的影响，例如存在井壁结构内部状况复杂，各结构层介电常数有时较接近，井壁与探测器接触面有鼓凸、积水、裂缝等，人员操作经验和图像解释水平差异较大等，探测结果的准确性会受到一定的影响。因此，实际探测应用中应结合钻孔取芯法、超声波法等辅助进行，不断完善雷达探测手段。