頂板離層檢測的地質雷達物理模擬衰減分析＊

謝建林 許家林 李曉林

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;3.中國礦業大學徐海學院,江蘇省徐州市,221008)

頂板離層檢測的地質雷達物理模擬衰減分析＊

謝建林1,2,3許家林1,2李曉林1,2

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;3.中國礦業大學徐海學院,江蘇省徐州市,221008)

利用地質雷達(GPR)對頂板離層物理模型進行檢測,根據菲涅耳公式在邊值關系條件下求出入射波、反射波和折射波的振幅關系,理論推導得出離層區的衰減大于非離層區的結論。通過物理模擬實驗并對輸出的地質雷達時間剖面圖像進行特征分析,得出在離層界面的反射信號強烈造成了更大的衰減的結論。同時對接收的電磁波信號進行低通濾波,通過對信號的振幅分析得出非離層區反射信號能量大于離層區反射信號能量的結論,驗證了理論推導的正確性,同時也證明地質雷達對頂板離層進行檢測是可行的。

頂板離層 離層監測 地質雷達 物理模擬 衰減分析

目前人們認為要做到準確預防頂板冒頂事故,一是對冒頂機理進行深入的研究;二是進行合理的頂板控制設計;三是進行支護質量與頂板動態監測。通過對支護質量與頂板動態監測,可以避免絕大部分冒頂事故的發生。但我國學者在研究我國近年發生較多的復合頂板推垮型事故時,總結出這類冒頂事故發生前沒有明顯征兆,壓力不大,活柱下縮與頂底板下沉也不明顯,可見這類事故通過支護質量與頂板動態監測是很難預見的。造成這類頂板事故的主要因素是復合頂板形成的離層,因此了解頂板離層實際發展的狀況,從而判斷由離層導致的頂板事故發生的可能性,并為采取有效措施控制或避免事故發生提供有效地判斷依據,確保頂板安全性很有必要。

本文對頂板離層進行地質雷達物理模擬,通過對輸出的地質雷達時間剖面圖像以及信號振幅進行分析,為地質雷達對頂板離層進行檢測提供理論依據,并驗證其方法的可行性。

1 地質雷達模擬參數概述

地質雷達方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術。地質雷達利用一個天線發射高頻寬頻帶電磁波,另一天線接收來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質的電性質及幾何形態而變化。因此,根據接收到波的旅行時間、幅度與波形資料可推斷介質的結構。

地質雷達利用寬帶的電磁波以脈沖形式來檢測地表之下或確定不可視的物體或結構。經過多年的發展,地質雷達已成為工程和環境地球物理領域中的一種重要的方法,解決諸如公路路面層和基底結構、高層建筑基底形態、近地表土壤層結構、地下水位面和巖石分層、地下水污染評價等問題。

對于給定的介質,在一定的物理條件下(溫度、密度等),介質的介電常數是定值,介電常數反映了處于電場中的介質存儲電荷的能力。高頻電磁波在介質中的傳播速度主要取決于介質的介電常數,其速度v(單位為m/ns)為:

式中:c——真空中的電磁波傳播速度,取0.3 m/ns;

εr——介質的相對介電常數,F/m。

如果要求的空間分辨率為x(單位為m),檢測介質的相對介電常數為εr,則天線中心頻率f(單位為MHz)可由下式初步選定:

時窗大小W(單位為ns)主要取決于最大檢測深度H(單位為m)與地層電磁波的傳播速度v,應滿足:

2 地質雷達物理模擬理論分析

現假設模型一見圖1,介質從上到下依次分別為空氣、潮濕砂巖與干沙質土壤,假設其折射率依次分別為n1、n2與n3,電磁波的入射方向為從空氣進入砂巖。

圖1 模型一信號反射和折射示意圖

介質的折射率和介質的相對介電常數有關,具體關系為:

空氣、潮濕砂巖與干沙質土壤三種介質的相對介電常數大小依次為1、8與5,由此可以計算得出n2最大,n3次之,n1最小。在圖1中,E1為發射源發出的入射電磁波的電場強度,E2為在空氣和砂巖界面反射波的電場強度,E3為在砂巖中折射波的電場強度,E4為在砂巖和土壤界面反射波的電場強度,E5為經砂巖折射入空氣折射波的電場強度。我們接收的反射波主要是E2和E5,在這里為了計算方便將其他信號進行忽略。

那么根據菲聶耳垂直入射公式,就有:

R1為圖1中接收到的電場強度的值。

現假設模型二見圖2,介質從上到下依次分別為空氣、潮濕砂巖、空氣與干沙質土壤,假設其折射率依次分別為n1、n2與n3,電磁波的入射方向為從空氣進入砂巖。與圖3相比,就是砂巖介質與土壤介質中存在空氣層,把這一層看成是離層區。

圖2 模型二信號反射和折射示意圖

從圖2可以看出,E10為發射源發出的入射電磁波的電場強度,E20為在空氣和砂巖界面反射波的電場強度,E30為在砂巖中折射波的電場強度,E40為在砂巖和空氣界面反射波的電場強度,E50為經砂巖折射入空氣折射波的電場強度。我們接收的反射波主要是E20和E50,在這里為了計算方便將其他信號進行忽略。

R2為圖2中接收到的電場強度的值。R1與R2相比,E2和E20是相同的,而后半部分E5和E50有差異,其中:

所以得出E5

3 地質雷達物理模擬實驗

3.1 地質雷達物理模型

本次物理模擬實驗的模型剖面圖見圖3,模型整體高度為45 cm,離層區厚度為15 cm。圖3中空氣介質區域假設為離層區。

實驗采用500 MHz地質雷達屏蔽天線,檢測方向為從模型左端開始向離層區方向移動,檢測步長為2 cm,時窗大小為95 ns,檢測總道數為165,從第44道開始進入離層區。

圖3 模型剖面圖

3.2 地質雷達物理模擬實驗結果

對模型進行檢測得到的同相軸圖進行處理后見圖4。

圖4 同相軸圖

從圖4可以觀測得到在橫向44道后、縱向8 ns附近區域同相軸出現強烈的反射,根據地質雷達檢測目的層深度的計算式可計算得出此區域對應的正是模型中的離層區。

從全部信道中選擇第33道(見圖5)以及第100道(見圖6)離層區信號頻譜圖進行對比分析。

對圖5和圖6兩道信號進行低通濾波后,得到處理后的信號見圖7和圖8。

從圖7和圖8可以觀測得到離層區信號幅值略小于平均道信號振幅,而非離層區信號幅值大于平均道信號振幅,這驗證了之前離層區的衰減大于非離層區的結論。

4 結論

本文通過物理模擬實驗并對輸出的地質雷達時間剖面圖像進行特征分析,得出在離層界面的反射信號強烈造成了更大的衰減,從圖像上能夠直觀區分離層區與非離層區。同時對接收的電磁波信號進行低通濾波,通過對接收信號的振幅分析得出非離層區反射信號能量大于離層區反射信號能量。綜上所述,驗證了離層區的存在增加了信號衰減的理論推導正確性,同時也證明采用地質雷達對煤礦頂板離層進行檢測是可行的。

[1] 岑傳鴻.頂板災害防治(第二版)[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994

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[4] 李大心編著.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社,1994

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[7] 郭碩鴻編著.電動力學(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1997

Analysis of physically simulated attenuation of GPR in detecting mine roof separation

Xie Jianlin1,2,3,Xu Jialin1,2,Li Xiaolin1,2
(1.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangshu 221008,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining
and Technology,Xuzhou,Jiangshu 221008,China;3.Xuhai College,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangshu 221008,China)

Theoretical derivation concludes that attenuation in the separation zone is higher than in areas without roof separation.The attenuation is detected by testing the physical model of roof separation using the Ground Penetrating Radar(GPR).The derivation is based on the relationship between the amplitudes of the incident wave,reflected wave and refractive wave calculated in the Fresnel formula under the boundary condition.Physical simulation and analysis of the characteristics of the time section as output from the GPR indicate that strong reflected signals in the interface of separation result in higher attenuation.Lowpass filtering of

electromagnetic signals is conducted,and analysis of the amplitudes of signals indicates that the energy of the reflected signals from separation-free areas is greater than those from areas with roof separation,which verifies the correctness of the theoretical derivation and the feasibility of using the GPR to detect roof separation.

roof separation,separation monitoring,GPR,physical simulation,attenuation analysis

TD325

A

國家自然科學基金項目(50974116);國家重點基礎研究計劃(973項目)(2007CB209403)

謝建林(1982-),男,江西泰和人,博士研究生,講師,從事巖層移動方面的研究。

(責任編輯 張艷華)