雙頻地質雷達探測在礦山工程裂隙破碎帶勘探中的應用

李海威

（中鋼集團鄭州金屬制品研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是一種廣泛應用于地質探測的高頻電磁脈沖波技術，頻率一般在5～2000MHz之間，再利用電磁脈沖波反射來探測地下目的體分布形態及特征。近年來，該技術被廣泛地應用于公路、鐵路、礦山等工程領域，在實際工程中主要用來探測前方不良地質的分布、產狀，為礦山隧道的開發方式選擇、進尺、支護參數設計提供依據。在探測過程中，研究人員一般選擇以低頻天線為主，但低頻天線探測距離長精度低，而高頻天線探測精度高距離短，而選擇雙頻天線可實現中長距離（45m）和短距離（15m）同時預報，為隧道地質提供精準預報。

1 地質雷達的基本原理與探測方法

1.1 地質雷達的基本原理

地質雷達的探測原理是根據巖層、土質及其它不同導電率介質的物探及相鄰兩種物質的電性、物性差異為測試條件，形成反射界面，從而探測地下目標體的分布形態及特征。電磁波的穿透深度取決于介質的介電常數和電導率，記錄反射時間。

1.2 地質雷達的探測方法

考慮到掌子面前方可能存在巖溶發育情況，選擇中心頻率為70MHz和300MHz雷達天線，在掌子面上布置兩條測線，必要時可布置成“井”字形或其他網格形式。選擇合適的采樣點和波速，采用連續測量的方式，不能連續測量的地段可采用點測模式。連續測量時天線應均勻移動，并與儀器的掃描率相匹配；點測時移動間隔為0.1m～0.2m。

2 雙頻地質雷達在礦山開采中應用

2.1 工程地質概況

礦山隧道全長1862.748m，最大埋深約232m。工程所在區域屬溶蝕洼地、槽谷地貌，洞身地段多為峰叢、洼地，地形起伏較大，坡陡溝深，絕對高程147m～408m，相對高差最大達261m，自然坡度一般15°～60°，局部為陡崖。所在區域地層巖性為上覆第四系全新統坡殘積紅黏土，下伏基巖為三疊系下統馬腳鈴組灰巖、白云質灰巖夾白云巖，隧道區地層總體呈單斜構造。

2.2 地質觀察

開挖后裸露圍巖為灰巖，白云質灰巖，中厚層狀，隱晶質結構，質堅、性脆、致密、堅硬，鈣質膠結，含少量方解石脈，節理、裂隙較發育，地表見溶洞、蜂窩狀溶孔、溶隙、弱風化帶屬V級次堅石。節理裂隙較發育～不發育，裂隙中有少量巖屑填充，掌子面稍顯濕潤，受爆破影響，圍巖新生裂隙較多，圍巖自穩能力較好。其掌子面照片如圖1所示。

圖1 圍巖照片

2.3 巖溶探測

從圖2中的雷達波形圖中可看出1m～3m處存在一明顯反射界面，邊界形成強反射波，測該處可能為溶洞。結合低頻雷達波形圖，探測信號中高頻成分的衰減是緩慢的，而其低頻信號不明顯，在溶洞區未形成明顯的反射，推測該溶洞不大，且無水和其它填充物。圖3為開挖后溶洞，可見前面根據雷達波所做的圍巖地質情況預測和揭露情況較為一致。

圖2 雷達波形圖

圖3 圍巖破碎帶照片

2.4 裂隙破碎帶探測

裂隙破碎帶或密集帶一般存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中。由于裂隙內比較破碎且不連續，與周邊圍巖形成電性差異，在雷達波形圖上顯示為區域性的高頻密紋反射波，如下圖4所示礦山隧道探測的雷達波形。

圖4 雷達波形圖

從中頻雷達波分析，在掌子面前方出現多處高頻密紋反射波，中頻和低頻雷達均有明顯反射特征，從開挖之后的圍巖情況來看，出現高頻密紋反射波處為裂隙發育區，裂隙之間存在夾泥或巖屑，如圖5所示。

圖5 圍巖破碎帶照片

3 地質雷達的注意事項

（1）對雷達數據的解釋需要結合地質資料，在進行數據采集之前需要對開挖后的掌子面地質情況進行調查，同時數據采集時要注意記錄周邊金屬（臺車、錨桿）、對講機等電磁波的干擾，以保證雷達采集數據的準確性。

（2）在探測過程中，天線盡量保持與掌子面平行且盡可能貼近掌子面，要盡可能多的采集數據，便于后期數據分析處理。

（3）圖像解釋時應分析整個波形圖，重點研究同向軸連續、振幅變化大的波，對繞射波、散波、同相軸不連續要進行解析。

（4）由于波速不是穩定的，判讀一般都存在一定誤差，需要不斷地把預測結果和現場掌子面情況進行對比，不斷檢驗和修正。

4 結語

（1）低頻天線探測距離長、精度低，高頻天線探測距離短、精度高，很小的不良地質體對隧道的影響較小，因而工程中多使用低頻天線，而在精細化探測時需將低頻與中頻相結合，能更好地做好精準探測。

（2）中低頻地質雷達對斷層、含水區、裂隙破碎帶等具有較高的識別能力，探測效果明顯，含水區巖層或軟弱夾層區在雷達圖像中表現為強反射帶，反射波主頻降低，相位發生翻轉，并且通過富水區后能量衰減很快。

（3）溶洞的雷達波形圖典型特征是邊界形成強反射帶，由于基巖和填充物性質的顯著差異，充填型巖溶洞穴會形成中間和周圍基巖反射程度的強烈差別，特別是有水充填的巖溶洞穴。

（4）裂隙破碎帶反射波同相軸雜亂，反射界面較多，如果巖層比較破碎時，頻譜較寬，主頻特征明顯，并且波幅衰減很快。

（5）把雷達探測的解釋和圍巖的地質特征解釋結合起來，進行綜合分析和判讀是一種提高預報準確度的方法，但由于不同的地質構造差異很大，對雷達圖像的判讀和識別具有很多解性。這就要求工程物探人員不斷努力積累實際工程經驗，提高專業技能，使雷達預報應用達到一個新的高度。