基于地質雷達的礦山巷道施工超前預報研究

李興濤，王德瑞，李亞雄

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司物探分院，云南 昆明 650033）

由于不良地質條件等對礦山巷道施工的安全性造成威脅，需要加強對巷道地質的超前預報，通過運用地質雷達等預測方法不斷提高地質預報的準確性。通過預測為巷道施工提供準確的地質資料，從而保證巷道施工巷道符合規范要求。通過調整施工工藝，能夠有效減少或者防止施工事故的發生。在對掌子面地質條件精確探測的基礎上，對探測結果進行了深入分析，保證了礦山巷道的順利施工。

1 地質超前預報對礦山巷道施工的積極作用

由于地質條件的限制，礦山巷道開挖所引起的各種地質災害，巷道施工在很大程度上受到限制，必須采取相應的措施和方法來加以改善。超前地質預報是確保施工生產安全的一項新技術，在復雜地質條件下，先期對掌子面前方地質情況和可能發生的地質災害進行預報，是防止巷道施工安全事故的重要舉措。結合相關地質理論和災害規律，在地質超前預報的基礎上，進行預報資料的分析研究，采取相應及時調整技術措施，確保施工生產的安全，有利于巷道的順利竣工和工程質量的提高。及時施工、優化設計等措施，避免了災害和事故的發生，對提高社會經濟效益有一定的作用。

2 地質雷達的探測原理及方法

2.1 原理

利用電磁波在不同反射面上的差異性，在地質雷達探測中，將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式通過發射天線定向地送入地底，由于地底地層或目標體具有不同的電性，通過接收天線接收到不同的電性反射回地面。不同介質中傳播的電磁波，其傳播路徑、電磁場強度和波形隨介質的電性特性和幾何形狀的不同而不同。收集時間域波形，對其進行處理分析，明確電磁波反射特征，可揭示地下邊界面或地質體的空間位置及構造，進而推算掌子面前的地質狀況。

圖1 地質雷達測線布置示意圖

2.2 方法

根據現場條件，布設兩條測線，采用點測方式探測，從而得到兩條雷達反射剖面。本次預報選用地質雷達類型為SIR-4000型，采用100MHz的天線，其采集參數為：采集方式為點測法，每掃描一次采樣次數為512次，時間窗口為600ns。采集方向如圖2所示。

圖2 測線一地質雷達探測波形圖(左～右)

2.3 探測內容

（1）掌子面前方地質變化及災害體的分布與性質。

（2）超前地質預報范圍段的圍巖級別判定。

3 數據處理以及雷達資料解釋

地質雷達資料處理的主要是為了能夠通過結合相關地質理論，有效排除隨機或者有規律的干擾，從而確保地質雷達圖像中的反射波的清晰與準確性。除此之外，提取反射波相關參數例如電磁波的速度和振幅以及波形等能夠更好地解釋地質雷達圖像中反射波的特性。

3.1 數字濾波

在地質雷達測量中，數字濾波是一種有效地消除數據中干擾信號的數據處理方法。采用全通記錄方式，在記錄有效波干擾信息的同時，盡可能多地保存信息，以消除數據中的干擾信號。根據數據中有效信號和干擾信號的頻譜范圍，數字濾波能夠有效去除對干擾波。

3.2 雷達資料的偏移處理

地質雷達的工作原理與反射地震方法一致，它們都是通過電磁波的反射，接收來自地下介質界面的反射波。當地下介質交界面的反射點的法平面通過測點，通過記錄反射點以及每個反射點的之前的位置，就能夠通過數據處理，反映出地下介質的真實位置。背離測點的地下介質交界面反射點，只要其法平面上有測點，均可記錄。數據處理需要將雷達記錄中的每一個反射點移至其原始位置，這種處理方法稱為偏移歸零處理，偏移后的雷達剖面可以反映地下介質的真實位置。

3.3 雷達圖像增強處理

（1）振幅恢復：由于波前擴散和介質會吸收電磁破，雷達接收記錄會受時間軸的干擾，需要通過振幅恢復確保反射振幅只和反射層有關。

（2）道內均衡：由于經過雷達數據處理，淺層能量強而深層能量弱，因此需要通過道內平衡解決不同地質層信息輸出顯示的困難，確保各地質層都能清晰顯示。

（3）道間均衡：受接受條件差異的影響，導致雷達記錄中道之間的能量不平衡，從而影響了剖面上同相軸的連續性，需要通過道間均衡的處理，改善剖面質量。

3.4 雷達解釋

探地雷達資料主要反映的是地下介質的電性分布，結合相關地質資料和地質理論，利用雷達解釋可以將電性分布轉化為地質體分布。在確定了地質分布之后，建立了礦山地質模型，從而獲得井下地質模式。

（1）時間剖面的解釋方法

在地質雷達預報資料解釋的基礎上，建立了勘探雷達影像剖面圖，根據地下介質的電性差，找出勘探影像剖面中相應的反射波，是合理解釋地質雷達預報資料的關鍵。不僅如此，為了能夠提高地質雷達對地質預測的準確性，還需要地質人員具有豐富的經驗與技術，充分了解區域地質條件，確保地質信息的完整與準確。

（2）雷達波速度的求取

雷達波速獲取是地質雷達預測而資料解釋的主要內容之一。雷達波速度的主要包括深度轉換這一重要參數，它的準確性直接影響了解釋結果的準確性。

4 礦山巷道地質超前預報中地質雷達的實際應用

地質雷達法實測反射波根據現場情況，對K27+627掌子面進行了地質雷達探測，其波形圖詳見圖2。

地質情況分析。

根據巷道掌子面（見圖2）、已開挖洞段地質情況，并結合設計資料及地質雷達探測結果，現對該巷道K27+627～K27+652段圍巖進行地質綜合分析，推測25m范圍內的地質情況為：

礦層特性：預報段巖性為灰黑色、灰白色炭質絹云片巖。

礦體堅硬程度：礦體較軟，輕易擊碎，強度較低，主要為強～全風化。

礦體完整程度：推測前方圍巖總體為較破碎～破碎，節理、裂隙發育，巖體多呈碎裂狀結構，易掉塊坍塌。

主要軟弱結構面：根據測試成果分析，掌子面前方2m～6m（里程樁號K27+629～K27+633）、9m～22m（里程樁號K27+636～K27+649）段推測為裂隙密集帶，可能含有地下水，圍巖破碎。

地下水：測試段礦體富水性較差，屬透水性弱～微巖體。

圍巖穩定性：測試段圍巖總體為較破碎～破碎。圍巖自穩能力差，開挖后應及時支護，若不及時支護或支護（處理）不當易產生較大規模的坍塌，隧洞整體穩定性差。

礦石級別：綜上所述，本次預報段巖石總體為強～全風化，巖質較軟，巖體強度較低，圍巖節理、裂隙發育，礦體總體較破碎～破碎，推測圍巖總體為Ⅴ2級。

5 結語

以地質雷達在礦山巷道地質超前預報中的實際應用為例，通過探測掌子面前面的地質變化和災害體的分布、性質，并加強對超前地質預報范圍段圍巖水平的判斷，可以反饋巷道施工工程的地質狀況，為礦山巷道施工提供重要的參考依據，促進巷道施工具體方案的制定，及時調整地質條件不符合設計要求的地質，修改方案，更好地滿足巷道施工的需要。在礦山巷道地質超前預報中，地質雷達的作用非常重要，它是保證巷道施工安全順利進行的重要基礎。通過合理選擇預測過程中的儀器參數與實際經驗密切相關，在實際試驗過程中應根據實際情況布置試驗剖面，以使預測更加準確。提高地質人員的專業性，提高地質解釋的準確性，確保地質預測對巷道施工的調整與改進起到積極作用。