新型探地雷達(dá)設(shè)備在采空區(qū)覆蓋層厚度探測中的應(yīng)用

張耀平，董隴軍，袁海平

（1．江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州341000；2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

采空區(qū)是礦山開采引起的最為主要的災(zāi)害形式之一，主要的災(zāi)害形式有空區(qū)塌陷及地表沉降等。今年來，有很多學(xué)者進(jìn)行了諸如空區(qū)塌陷預(yù)測、地表塌陷、空區(qū)探測等方面卓有成效的研究［1－6］。合理有效的探測空區(qū)覆蓋成厚度及空區(qū)位置，可以減緩其災(zāi)害的發(fā)生。

目前，礦山地下采空區(qū)探查，主要采用鉆探和地球物理探測技術(shù)。鉆探方法比較直觀，因小礦井開采的無規(guī)律性，單一采用鉆探很難準(zhǔn)確探查采空區(qū)的范圍，且工作量大、效率低、經(jīng)濟(jì)投入大。地球物理方法以其面積測量的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，取得了明顯的地質(zhì)效果。目前，地球物理探測技術(shù)，主要采用高密度電阻率法、探地雷達(dá)、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(yōu)勢和不足，電法探測精度偏低，但對采空區(qū)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(biāo)體；探地雷達(dá)適用于探測深度較淺的目標(biāo)體，但探測分辨率高。要根據(jù)探測區(qū)的具體物理?xiàng)l件進(jìn)行探測方法選擇和優(yōu)化，特別是在工礦區(qū)及強(qiáng)電磁干擾區(qū)，選擇合理的技術(shù)方法進(jìn)行探測尤其重要。對礦山地下采空區(qū)地球物理探測的研究，國外研究較少。近幾年來，因安全生產(chǎn)及礦業(yè)開發(fā)監(jiān)督管理的需要，國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)做了大量研究工作。因不同地區(qū)地質(zhì)條件和采礦條件的不同，各種地球物理技術(shù)方法探測效果差異較大。因此，通過不同地球物理技術(shù)方法的探測試驗(yàn)，可以篩選出先進(jìn)、有效、經(jīng)濟(jì)、適用的采空區(qū)探測技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)方法的優(yōu)化組合，以達(dá)到對地下采空區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和探測。在利用探地雷達(dá)探測采空區(qū)研究方面，黃仁東［5］、程久龍等［6］利用探地雷達(dá)探測地下采空區(qū)，可得到較理想的探測結(jié)果，但探測深度較淺，探測效果受電磁干擾影響嚴(yán)重。為達(dá)到更理想的探測結(jié)果，需解決礦區(qū)強(qiáng)電磁干擾對探測資料影響問題。在有條件的地方，探地雷達(dá)技術(shù)與其他探測方法進(jìn)行綜合探測，可以取得較好的地質(zhì)效果。

本文主要探討利用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)覆蓋層厚度探測的原理和方法，并將其應(yīng)用到龍橋鐵礦的采空區(qū)覆蓋層探測中。

1 監(jiān)測設(shè)備及方法

1.1 儀器設(shè)備

本次采空區(qū)覆蓋層厚度探測，采用了意大利產(chǎn)的Detector新型探地雷達(dá)設(shè)備，天線為IDS TR40MHz屏蔽天線，最大探測深度可以達(dá)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(zhì)分層探測和條件惡劣場地的應(yīng)用。

主要采集參數(shù)如下：

脈沖重復(fù)頻率：400 k Hz（高速的脈沖重復(fù)頻率使數(shù)據(jù)收集更快）；時(shí)窗：800 nsec；疊加數(shù)：1～32768。

分辨率：5psec；A／D轉(zhuǎn)換 ：16 bit；掃描采樣數(shù)：512；信噪比：160 db；動(dòng)態(tài)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(dá)電磁波在這種高磁導(dǎo)率物質(zhì)傳播時(shí)，電磁波波速及衰減速度會(huì)受到較大的影響，將使得探地雷達(dá)的探測范圍降低。由于介質(zhì)差異，在不同介質(zhì)表面形成強(qiáng)烈的發(fā)射波和折射波，同時(shí)也不可避免產(chǎn)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(shè)計(jì)了一輕質(zhì)竹架，使雷達(dá)天線盡量貼近巷道頂板，探測方法見圖1。

探地雷達(dá)作為工程物探檢測的一項(xiàng)新技術(shù)，具有連續(xù)、無損、高效和高精度等優(yōu)點(diǎn)。探地雷達(dá)由一體化主機(jī)、天線及配套軟件等部分組成。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，探地雷達(dá)以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波（幾MHz至幾GHz）。當(dāng)其遇到不均勻體 （界面）時(shí)，會(huì)反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定。通過對雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識(shí)別隱蔽目標(biāo)物的目的 （圖2）。

圖1 探地雷達(dá)探測方法圖

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

式中，H為目標(biāo)層厚度。

V是電磁波在地下介質(zhì)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(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

反射信號(hào)的強(qiáng)度，主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。

雷達(dá)波的穿透深度，主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導(dǎo)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(dá)的分辨率，主要取決于天線的中心頻率和目標(biāo)物的深度。對于通常情況來說，雷達(dá)的分辨率可由式 （4）算得：

圖2 探地雷達(dá)工作原理示意圖

式中，R表示雷達(dá)的分辨率；H表示目標(biāo)物的深度。如目標(biāo)物的深度為12m，則目標(biāo)物的尺寸應(yīng)大于1m，才能為雷達(dá)系統(tǒng)所識(shí)別。

1.3 數(shù)據(jù)處理

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理 （標(biāo)記和樁號(hào)校正、添加標(biāo)題、標(biāo)識(shí)等）和處理分析，其處理流程如圖3所示。其目的在于壓制規(guī)則和隨機(jī)干擾，以盡可能高的分辨率在探地雷達(dá)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(dá)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(shù)選擇合理、數(shù)據(jù)處理得當(dāng)、模擬實(shí)驗(yàn)類比和讀圖經(jīng)驗(yàn)等因素。

2 在龍橋鐵礦中的應(yīng)用

2.1 平面測線布網(wǎng)圖

0～1線、1～3線、W～13進(jìn)路均在－355分層探測，1線 （爆破施工探測數(shù)據(jù)少）和3線在－342．5分層探測。測網(wǎng)平面布置示意圖見圖4。

2.2 W－13進(jìn)路測線分析

通過時(shí)域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達(dá)波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達(dá)圖W－13進(jìn)路剖面進(jìn)行處理，結(jié)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(dá)波記錄，此范圍內(nèi)存在明顯的強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)烈的反射波，且松散墊層介質(zhì)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(shè)計(jì)生產(chǎn)要求。W－13進(jìn)路剖面圖見圖5。

圖3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 測網(wǎng)平面布置示意圖

圖5 W－13進(jìn)路剖面

2.3 3測線

通過時(shí)域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達(dá)波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達(dá)3線穿脈剖面圖進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6所示。從巷道頂板向上至20m左右，有一強(qiáng)烈的反射波，高度在1m上下波動(dòng)，波組較明顯，如下圖的藍(lán)色標(biāo)記所示，說明此處存在疏密程度不同的介質(zhì)，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(chǎn)安全要求。

圖6 3線穿脈剖面圖

2.4 0～1測線

通過時(shí)域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達(dá)波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達(dá)圖0～1線剖面進(jìn)行處理，結(jié)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(dá)波，在此范圍存在強(qiáng)幅度反射同相軸，推測此處存在不同的介質(zhì)，而且也證實(shí)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(qiáng)烈的反射波，且介質(zhì)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(shè)計(jì)生產(chǎn)要求。

圖7 0～1線剖面

2.5 1～3測線

通過時(shí)域垂直帶通濾波和頻域垂直帶通濾波、去除直達(dá)波、背景消除等操作，對原始具有代表性的雷達(dá)圖1～3線剖面進(jìn)行處理，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，由于雷達(dá)掃描時(shí)存在晃動(dòng)，有些掃描數(shù)據(jù)丟失，出現(xiàn)下圖間斷的雷達(dá)數(shù)據(jù)，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(dá)波記錄，推測此處存在不同的介質(zhì)，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(qiáng)烈的反射波，且介質(zhì)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(shè)計(jì)生產(chǎn)要求。

圖8 1～3線剖面圖

3 結(jié) 論

本文將意大利產(chǎn)的Detector新型探地雷達(dá)設(shè)備應(yīng)用到龍橋鐵礦采空區(qū)覆蓋層厚度探測中，并論述了探測原理及具體方法。該設(shè)備天線為IDS TR 40MHz屏蔽天線，最大探測深度可以達(dá)到50m。對0～1線、1～3線、W～13進(jìn)路均在－355分層探測，1線 （爆破施工探測數(shù)據(jù)少）和3線在－342．5分層進(jìn)行探測。探測結(jié)果表明，該礦山空區(qū)墊層厚度大于25 m，滿足國家安全生產(chǎn)規(guī)程規(guī)定的無底柱自然崩落法空區(qū)墊層厚度必須超過2個(gè)分段高度的要求。

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