新型探地雷達設備在采空區覆蓋層厚度探測中的應用

張耀平，董隴軍，袁海平

（1．江西理工大學應用科學學院，江西 贛州341000；2．中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙410083）

采空區是礦山開采引起的最為主要的災害形式之一，主要的災害形式有空區塌陷及地表沉降等。今年來，有很多學者進行了諸如空區塌陷預測、地表塌陷、空區探測等方面卓有成效的研究［1－6］。合理有效的探測空區覆蓋成厚度及空區位置，可以減緩其災害的發生。

目前，礦山地下采空區探查，主要采用鉆探和地球物理探測技術。鉆探方法比較直觀，因小礦井開采的無規律性，單一采用鉆探很難準確探查采空區的范圍，且工作量大、效率低、經濟投入大。地球物理方法以其面積測量的優勢得到廣泛應用，取得了明顯的地質效果。目前，地球物理探測技術，主要采用高密度電阻率法、探地雷達、電磁法、地震方法、瑞雷波法、氡氣測量以及綜合物探方法等［2，7－11］。不同的地球物理方法各有優勢和不足，電法探測精度偏低，但對采空區是否含水的探測效果較好；地震方法適用于探測深度較深的目標體；探地雷達適用于探測深度較淺的目標體，但探測分辨率高。要根據探測區的具體物理條件進行探測方法選擇和優化，特別是在工礦區及強電磁干擾區，選擇合理的技術方法進行探測尤其重要。對礦山地下采空區地球物理探測的研究，國外研究較少。近幾年來，因安全生產及礦業開發監督管理的需要，國內許多科研機構做了大量研究工作。因不同地區地質條件和采礦條件的不同，各種地球物理技術方法探測效果差異較大。因此，通過不同地球物理技術方法的探測試驗，可以篩選出先進、有效、經濟、適用的采空區探測技術方法，實現不同技術方法的優化組合，以達到對地下采空區進行準確監測和探測。在利用探地雷達探測采空區研究方面，黃仁東［5］、程久龍等［6］利用探地雷達探測地下采空區，可得到較理想的探測結果，但探測深度較淺，探測效果受電磁干擾影響嚴重。為達到更理想的探測結果，需解決礦區強電磁干擾對探測資料影響問題。在有條件的地方，探地雷達技術與其他探測方法進行綜合探測，可以取得較好的地質效果。

本文主要探討利用探地雷達技術進行采空區覆蓋層厚度探測的原理和方法，并將其應用到龍橋鐵礦的采空區覆蓋層探測中。

1 監測設備及方法

1.1 儀器設備

本次采空區覆蓋層厚度探測，采用了意大利產的Detector新型探地雷達設備，天線為IDS TR40MHz屏蔽天線，最大探測深度可以達到50m。該天線主要用于路基缺陷檢測、粗大管線探測、深層溶洞探測、巖性分析等，以及不明巖土介質分層探測和條件惡劣場地的應用。

主要采集參數如下：

脈沖重復頻率：400 k Hz（高速的脈沖重復頻率使數據收集更快）；時窗：800 nsec；疊加數：1～32768。

分辨率：5psec；A／D轉換 ：16 bit；掃描采樣數：512；信噪比：160 db；動態范圍：≥160db。

1.2 探測方法原理和方法

由于龍橋鐵礦為磁鐵礦，探地雷達電磁波在這種高磁導率物質傳播時，電磁波波速及衰減速度會受到較大的影響，將使得探地雷達的探測范圍降低。由于介質差異，在不同介質表面形成強烈的發射波和折射波，同時也不可避免產生一些雜亂回波，掩蓋了從覆蓋層表面反射的有效波組。為了盡可能避免這些雜波干擾，課題組自行設計了一輕質竹架，使雷達天線盡量貼近巷道頂板，探測方法見圖1。

探地雷達作為工程物探檢測的一項新技術，具有連續、無損、高效和高精度等優點。探地雷達由一體化主機、天線及配套軟件等部分組成。根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，探地雷達以寬頻帶短脈沖的形式向介質內發射高頻電磁波（幾MHz至幾GHz）。當其遇到不均勻體 （界面）時，會反射部分電磁波，其反射系數由介質的相對介電常數決定。通過對雷達主機所接收的反射信號進行處理和圖像解譯，達到識別隱蔽目標物的目的 （圖2）。

圖1 探地雷達探測方法圖

電磁波在特定介質中的傳播速度V是不變的，因此，根據探地雷達記錄上的地面反射波與反射波的時間差ΔT，即可據式 （1）算出異常的埋藏深度H：

式中，H為目標層厚度。

V是電磁波在地下介質中的傳播速度，其大小由式 （2）表示：

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m／s；ε為相對介電常數，取決于地下各層構成物質的介電常數。

雷達波反射信號的振幅與反射系數成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數r可表示為：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質的相對介電常數。

反射信號的強度，主要取決于上、下層介質的電性差異，電性差異越大，反射信號越強。

雷達波的穿透深度，主要取決于地下介質的電性和中心頻率。導電率越高，穿透深度越小；中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。

雷達的分辨率，主要取決于天線的中心頻率和目標物的深度。對于通常情況來說，雷達的分辨率可由式 （4）算得：

圖2 探地雷達工作原理示意圖

式中，R表示雷達的分辨率；H表示目標物的深度。如目標物的深度為12m，則目標物的尺寸應大于1m，才能為雷達系統所識別。

1.3 數據處理

探地雷達數據處理包括預處理 （標記和樁號校正、添加標題、標識等）和處理分析，其處理流程如圖3所示。其目的在于壓制規則和隨機干擾，以盡可能高的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息 （包括電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。

探地雷達所接收的是來自地下不同電性界面的反射波，其正確解釋取決于檢測參數選擇合理、數據處理得當、模擬實驗類比和讀圖經驗等因素。

2 在龍橋鐵礦中的應用

2.1 平面測線布網圖

0～1線、1～3線、W～13進路均在－355分層探測，1線 （爆破施工探測數據少）和3線在－342．5分層探測。測網平面布置示意圖見圖4。

2.2 W－13進路測線分析

通過時域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達圖W－13進路剖面進行處理，結果如下圖所示。由圖4可以看出，從巷道頂板至21m或22m之間，有明顯的雷達波記錄，此范圍內存在明顯的強幅度反射同相軸，推測此同相軸是由礦巖界面與松散墊層底部界面反射形成的。反射波幅度基本相同，高低變化在1m左右，未見異常大的波動變化，說明分層較明顯，說明了棱形礦巖處于這一高度。此外，直到35m以上均未見強烈的反射波，且松散墊層介質相對較均勻，說明從棱形礦巖以上直到35m以上均為松散的礦巖墊層，墊層厚度滿足設計生產要求。W－13進路剖面圖見圖5。

圖3 探地雷達數據處理流程圖

圖4 測網平面布置示意圖

圖5 W－13進路剖面

2.3 3測線

通過時域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達3線穿脈剖面圖進行處理，結果如圖6所示。從巷道頂板向上至20m左右，有一強烈的反射波，高度在1m上下波動，波組較明顯，如下圖的藍色標記所示，說明此處存在疏密程度不同的介質，墊層和空氣層分界可能就在這一分層。由于此處剖面是從－342．5分層探測的，去除11m左右的礦巖頂板，說明3線穿脈剩下9m左右松散礦巖墊層，高低變化在1m左右。由于此線崩落的巖層厚度在15m左右，去除9m墊層，只有6m高左右的空氣層。到目前為止，此線穿脈放礦滿足了生產安全要求。

圖6 3線穿脈剖面圖

2.4 0～1測線

通過時域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達圖0～1線剖面進行處理，結果如圖7所示。由圖7可以看出，從巷道頂板至9m左右，有很明顯的雷達波，在此范圍存在強幅度反射同相軸，推測此處存在不同的介質，而且也證實了由于0～1線上分層穿脈巷道與下分層穿脈重合，且上分層穿脈巷道可能存在間斷的空氣層。直到12m左右，反射波又有明顯的變化，且有好幾處存在間斷的反射波，說明此處可能就是棱形礦巖與松散墊層分界面。從12m左右直到36m以上，均未見強烈的反射波，且介質相對較均勻，說明從棱形礦巖以上直到36m以上，均可能為松散的礦巖墊層，墊層厚度有25m以上，滿足設計生產要求。

圖7 0～1線剖面

2.5 1～3測線

通過時域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達圖1～3線剖面進行處理，結果如圖8所示。由圖8可以看出，由于雷達掃描時存在晃動，有些掃描數據丟失，出現下圖間斷的雷達數據，但整理連接起來不影響看圖效果。從巷道頂板至9m左右，有部分接近10m有很明顯的雷達波記錄，推測此處存在不同的介質，而且也證明了是由于1～3線上分層穿脈巷道與下分層穿脈重合，且上分層穿脈巷道可能存在間斷的空氣層。直到12m左右，有的位置在接近13m，反射波又有明顯的變化，說明此處可能就是棱形礦巖與松散墊層分界面。從12m左右直到36m以上，均未見強烈的反射波，且介質相對較均勻，說明從棱形礦巖以上直到36m以上，均可能為松散的礦巖墊層，墊層厚度有25m以上，滿足設計生產要求。

圖8 1～3線剖面圖

3 結 論

本文將意大利產的Detector新型探地雷達設備應用到龍橋鐵礦采空區覆蓋層厚度探測中，并論述了探測原理及具體方法。該設備天線為IDS TR 40MHz屏蔽天線，最大探測深度可以達到50m。對0～1線、1～3線、W～13進路均在－355分層探測，1線 （爆破施工探測數據少）和3線在－342．5分層進行探測。探測結果表明，該礦山空區墊層厚度大于25 m，滿足國家安全生產規程規定的無底柱自然崩落法空區墊層厚度必須超過2個分段高度的要求。

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