應用地質雷達進行巷道圍巖富水性探查的試驗研究

何 磊,馬 銀,張彥科

(中國華冶科工集團有限公司， 北京 100176)

在我國鐵路、公路隧道施工過程中，超前地質預報常用的方法主要有地質分析法、地震超前預報法及地質雷達法等[1]。其中，地質雷達探測法是物探方法中分辨率最高的探測方法。其通過向地下發射高頻寬帶的電磁脈沖信號，利用地下介質的電磁特性差異，根據回波信號的振幅、波形和頻率等特征來分析和推斷地質體內部結構特征。地質雷達的探測結果解譯具有多解性，傳統的解譯方法通過地質雷達探測圖像波形特征，從同相軸、振幅、頻率特征方面進行判斷，缺乏半定量的解譯標志，對于巖體富水情況的分析準確率較低，從而減弱了地質雷達在井下用于巖體富水性探測的適用性。本文進行的試驗研究旨在建立地質雷達探測圖像波形特征與半定量頻譜分析相結合的解譯標志，從而提高地質雷達對巖體富水程度的探測精度[2-3]。

1 地質雷達探測原理

地質雷達法(Ground Penetrating Radar Method)是利用地質雷達發射天線向目的體發射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目的體的反射電磁波，探測目的體分布的一種勘測方法。其實際是利用介質等電磁波的反射特性，對介質內部的構造和缺陷(或其他不均勻體)進行探測。地質雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描獲得斷面的掃描圖像，具體工作原理是：當雷達系統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介電差異較大的介質界面時，就會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況[4-5]。

2 地表模擬探測試驗

2.1 試驗方案

由于試驗重在研究地質雷達對巖體富水性的探測反應特征，擬通過對探測試驗目標體干燥及富水狀態下分別進行探測，研究地質雷達反射波的各項特性差異，從而獲取富水體的地質雷達探測解譯方法。考慮依托礦山現場條件，試驗選取干燥期及雨后的廢石堆進行探測，以雨后廢石堆作為裂隙富水區模擬探測目標。測線布置4 m，每0.1 m獲取一次探測數據，單條測線共獲得40組雷達探測數據。

2.2 探測結果分析

試驗組在廢石堆進行了多次探測，雷達數據通過Reflex軟件處理后得到雷達反射波形圖及頻譜圖，在每條測線獲取的40道雷達波中任選不相鄰的5道雷達波作為頻譜分析對象。干燥期、雨后廢石堆探測的結果見圖1、圖2。頻譜圖中橫軸表示頻率大小，縱軸表示各頻率信號的能量值，該能量值為一相對值，由Reflex后處理系統自動計算生成。對比可知，雨后的廢石堆雷達反射波明顯加強，波形低頻震蕩特征明顯。廢石堆干燥期雷達探測的頻譜圖顯示低頻、高頻信號能量值相當，雨后的廢石堆探測結果顯示低頻信號能量值明顯高于高頻信號數。初步分析認為廢石堆內的碎石存在孔隙，雨水滲透后含水率增加，雷達電磁波反射增強，頻率降低。因此，探測目標體富水性特征可通過雷達反射波中低頻、高頻信號的能量值進行判別。為便于量化研究反射波信號頻率與富水性的關系，本文將各頻率數的反射信號的能量值定義為Fn，如雷達反射波中30 MHz頻率的信號能量值為F30，定義30～60 MHz的中低頻信號與80～110 MHz高頻率信號能量值的比值為低頻系數，以t表示，即：

t=F30-60/F80-110

(1)

各段信號頻數計算方式為以30 MHz為基點，遞增5求和，即：

F30-60=F30+F35+F40+…F55+F60

經多次試驗，干燥廢石堆雷達探測低頻系數為1.1～1.4，滲入雨水的廢石堆探測低頻系數為1.8～2.6，系數大小與雨量大小成正比。因此，在對地質雷達探測波形圖的解譯基礎上，應用低頻系數可分析探測體的富水程度。

圖1 干燥期廢石堆探測雷達數據處理

圖2 雨后廢石堆探測雷達數據處理

3 井下巖體富水性探查試驗

3.1 非富水區探查

通過理論分析可以得出：當掌子面前方圍巖完整，巖性穩定時，其介質介電常數基本無變化，地質雷達波反射不明顯。對中關鐵礦主井-260 m水平副井繞道西向東方向掘進工作面進行了探測，掌子面圍巖較穩定，節理裂隙不發育，無滲水淋水。圖3為探測的波形圖像與單道反射波頻譜圖。由圖3可知，掌子面前方0～12 m區間雷達反射波不明顯，少區域見反射波信號。由頻譜圖可知，中低頻信號、中高頻信號能量值相差不大，經計算低頻系數為1.3，預計該區段圍巖特征與掌子面情況基本一致，不富水。開挖后，該區域圍巖穩定性較好，無明顯地下水產出，無溶洞。探測結果驗證了地質雷達地表探測試驗結論。

圖3 完整圍巖預報

3.2 富水區域探查

中關鐵礦北風井-260 m水平巷道掘進工作面淋水滲水嚴重，前方有富水地質構造的可能性較大。對該掌子面進行了地質雷達探測試驗，得到的雷達反射波形圖及頻譜圖見圖4。從圖4可知反射信號明顯，同相軸較連續，低頻信號明顯。頻譜圖顯示，低頻區主頻為36 MHz，中高頻區主頻為91 MHz，低頻面域明顯高于中高頻面域，經計算低頻系數t=2.35。預計前方圍巖富水。在工作面布置了超前鉆孔，單孔最大涌水量達200 m3/h，巷道圍巖富水。可見在富水巖體探測時，雷達反射波以低頻信號為主，低頻系數為2.35，與地表廢石堆探測結論基本一致。

4 結 論

通過進行地質雷達地表及井下的探測試驗，得到地質雷達進行井下掘進巷道圍巖富水性探查的解譯規律，并進行了應用，得到如下結論：

(1)低頻系數可作為地質雷達進行井下探測目標是否富水的標志。富水程度與低頻系數呈正相關性。低頻系數小于1.4時，富水可能性較小，低頻系數大于1.8時富水可能性大。

(2)通過傳統的波形圖分析與低頻系數相結合，可顯著提高地質雷達探測的解譯精度。

圖4 富水巖體預報頻譜及雷達波形

參考文獻：

[1]王正成，譚巨剛，孔祥春,等.地質雷達在隧道超前預報中的應用[J].鐵道建筑，2005(2):9-10.

[2]楊 峰，彭素萍．地質雷達探測原理與方法研究 [M]．北京：科學出版社，2010：2-5.

[3]李文俊，汪高舉，賀英魁,等．探地雷達在巷道掘進超前探測中的應用[J].礦業安全與環保，2005，32(4)：44-45.

[4]溫佐彪．地質雷達在隧道超前地質預報中的波形特征探究[J].公路隧道，2010(4):50.

[5]齊 甦．隧道地質超前預報技術與應用[M]．北京：氣象出版社，2010：2-8．.