雙頻地質(zhì)雷達(dá)探測在礦山工程裂隙破碎帶勘探中的應(yīng)用

李海威

（中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是一種廣泛應(yīng)用于地質(zhì)探測的高頻電磁脈沖波技術(shù)，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(tài)及特征。近年來，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于公路、鐵路、礦山等工程領(lǐng)域，在實(shí)際工程中主要用來探測前方不良地質(zhì)的分布、產(chǎn)狀，為礦山隧道的開發(fā)方式選擇、進(jìn)尺、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。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(shí)現(xiàn)中長距離（45m）和短距離（15m）同時(shí)預(yù)報(bào)，為隧道地質(zhì)提供精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理與探測方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)的探測原理是根據(jù)巖層、土質(zhì)及其它不同導(dǎo)電率介質(zhì)的物探及相鄰兩種物質(zhì)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(biāo)體的分布形態(tài)及特征。電磁波的穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，記錄反射時(shí)間。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)的探測方法

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

2 雙頻地質(zhì)雷達(dá)在礦山開采中應(yīng)用

2.1 工程地質(zhì)概況

礦山隧道全長1862.748m，最大埋深約232m。工程所在區(qū)域?qū)偃芪g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(dá)261m，自然坡度一般15°～60°，局部為陡崖。所在區(qū)域地層巖性為上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積紅黏土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)馬腳鈴組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖，隧道區(qū)地層總體呈單斜構(gòu)造。

2.2 地質(zhì)觀察

開挖后裸露圍巖為灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)堅(jiān)、性脆、致密、堅(jiān)硬，鈣質(zhì)膠結(jié)，含少量方解石脈，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，地表見溶洞、蜂窩狀溶孔、溶隙、弱風(fēng)化帶屬V級次堅(jiān)石。節(jié)理裂隙較發(fā)育～不發(fā)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(wěn)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(dá)波形圖中可看出1m～3m處存在一明顯反射界面，邊界形成強(qiáng)反射波，測該處可能為溶洞。結(jié)合低頻雷達(dá)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(qū)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(jù)雷達(dá)波所做的圍巖地質(zhì)情況預(yù)測和揭露情況較為一致。

圖2 雷達(dá)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(nèi)比較破碎且不連續(xù)，與周邊圍巖形成電性差異，在雷達(dá)波形圖上顯示為區(qū)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(dá)波形。

圖4 雷達(dá)波形圖

從中頻雷達(dá)波分析，在掌子面前方出現(xiàn)多處高頻密紋反射波，中頻和低頻雷達(dá)均有明顯反射特征，從開挖之后的圍巖情況來看，出現(xiàn)高頻密紋反射波處為裂隙發(fā)育區(qū)，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(zhì)雷達(dá)的注意事項(xiàng)

（1）對雷達(dá)數(shù)據(jù)的解釋需要結(jié)合地質(zhì)資料，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要對開挖后的掌子面地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，同時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)要注意記錄周邊金屬（臺車、錨桿）、對講機(jī)等電磁波的干擾，以保證雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)，便于后期數(shù)據(jù)分析處理。

（3）圖像解釋時(shí)應(yīng)分析整個(gè)波形圖，重點(diǎn)研究同向軸連續(xù)、振幅變化大的波，對繞射波、散波、同相軸不連續(xù)要進(jìn)行解析。

（4）由于波速不是穩(wěn)定的，判讀一般都存在一定誤差，需要不斷地把預(yù)測結(jié)果和現(xiàn)場掌子面情況進(jìn)行對比，不斷檢驗(yàn)和修正。

4 結(jié)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(zhì)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(xì)化探測時(shí)需將低頻與中頻相結(jié)合，能更好地做好精準(zhǔn)探測。

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

（3）溶洞的雷達(dá)波形圖典型特征是邊界形成強(qiáng)反射帶，由于基巖和填充物性質(zhì)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(qiáng)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(shí)，頻譜較寬，主頻特征明顯，并且波幅衰減很快。

（5）把雷達(dá)探測的解釋和圍巖的地質(zhì)特征解釋結(jié)合起來，進(jìn)行綜合分析和判讀是一種提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的方法，但由于不同的地質(zhì)構(gòu)造差異很大，對雷達(dá)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(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提高專業(yè)技能，使雷達(dá)預(yù)報(bào)應(yīng)用達(dá)到一個(gè)新的高度。