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)的具體物理條件進(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，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，電磁波波速及衰減速度會受到較大的影響，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，會反射部分電磁波，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)所接收的反射信號進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識別隱蔽目標(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??；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)記和樁號校正、添加標(biāo)題、標(biāo)識等）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)、模擬實驗類比和讀圖經(jīng)驗等因素。

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，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)計生產(chǎn)要求。

圖7 0～1線剖面

2.5 1～3測線

通過時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)掃描時存在晃動，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個分段高度的要求。

［1］ Dong Longjun，Peng Gangjian，F(xiàn)U Yuhua，BAI Yunfei，LIU Youfang．Unascertained measurement classifying model of goaf collapse prediction［J］．Journal of coal science ＆engineering （English edition），2008，12（2）221－224

［2］ 程久龍，于師建，王渭明，等．巖體測試與探測 ［M］．北京：地震出版社，2000．

［3］ 董隴軍，李夕兵，宮鳳強(qiáng)．開采地面沉陷預(yù)測的未確知聚類預(yù)測模型 ［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2008，19（2）：95－99．

［4］ 程建遠(yuǎn)，孫洪星，趙慶彪，等．老窯采空區(qū)的探測技術(shù)與實例研究 ［J］．煤炭學(xué)報，2008，33 （3）：251－25．

［5］ 黃仁東，劉敦文，徐國元，等．探地雷達(dá)在廠壩鉛鋅礦采空區(qū)探測中的試驗與應(yīng)用 ［J］．有色礦山，2003，32（6）：1－3．

［6］ 程久龍，胡克峰，王玉和，等．探地雷達(dá)探測地下采空區(qū)的研究 ［J］．巖土力學(xué)，2004 （25）：79－82．

［7］ 王東才．探地雷達(dá)與工程地質(zhì)勘探 ［J］．物探裝備，2001，11 （3）：188－194．

［8］ Davis J L，Annan A P．Ground penetrating radar for high resolution mapping of soil and rock stratigraphy ［J］．Geophysical Prospecting，1989 （37）：531－551．

［9］ Benson A K．Applications of ground penetrating radar in assessing some geological hazards：examples of groundwater contamination，faults，cavities ［J］．Journal of Applied Geophysics，1995，33 （1－3）：177－193．

［10］ 李大心．探地雷達(dá)方法與應(yīng)用 ［M］．北京：地質(zhì)出版社，1994．

［11］ Sharma，P．Vallabh．Envirnment and engineering geophysics［M］．Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，1997：310－325．