地质雷达在工程地质和煤矿生产中的应用.pdf

第 1 8卷 第1期 山东矿业学院 学报 自然科学版 V o 1 ． 1 8№1 1 9 9 9年 3月 J o u r a n l o f S h a n d o n g I n s t i t u t e o f Mi n i n g T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e Ma r ． 1 9 9 9 ＼ 7 6 串 雷达在工程地质和煤矿生产中的应用 王 连 成 蛙 炭 鬲 互 磊 _舟 院 9 摘要 介帮 了地质雷达特点及其影响因素， 结 合在太 型工程蒋工和在煤矿生产中的应 用实倒． 分析 了地扈 雷 达 的实用性及在指导工程j 毛 工、 蛙矿生产中的量要作用。 关 蕾 词 兰 童 苎 ； ； 三 墨 丝 蓝 ； 芏 兰 ； 苎 中田分类号 F 6 3 1 1 引 言 地质雷达作为矿井地质工作者的主要手段之 一 ，进行小构造准确探测和预测预报， 受到极大关 注。由于它精度高， 数据详 实， 成果直观， 与钻探 或其它大型物探设备比较， 轻巧， 使用简便快捷， 机动灵活． 可向巷遭顶底板、 两帮及掘进头超前探 测， 尤其是向掘进头前方探测， 只需将天线对准所 探测的方位 ， 而无需对地层表面进行处理 诸如打 钻之类的辅助工程 ， 因而具有优势， 受到使用者 的欢迎。 电磁波勘探根据有无人工源分为主动式和被 动式， 主动式勘探方法中有透视法、 干涉法和反射 法， 通常所说的地质雷达属主动式甚高频～超高 频段电磁波反射法。地质雷达经过几十年的不断 研究和开发已发展到能够实时处理、 连续探测就 地自 动成图。根据不同用途它主要可分为单脉冲 式和脉冲调制式雷达． 发射脉冲功率从几瓦至几 十千瓦， 频率从十几兆赫至几百兆赫． 甚至上千兆 赫。由于地层对电磁波频率的衰减随工作频率的 增高而增大． 低频段多用于探测吸收较强 的地下 目标， 而高频段用于探测高阻地层。国外 的地质 雷达皆属于单脉冲雷达， 脉冲宽度△T 1 0 n s ， 甚至 2 n s ， 因此分辨率高。脉冲电压可达几百伏， 甚至 上千伏， 因此不宜矿井防爆， 所以多用于地面探测 冻土、 冰川、 盐岩矿、 土壤剖面、 水管、 电缆和考古 等。探测臣离一般不大于 1 0 ～3 O re 。 煤炭科学研究总院重庆分院自 7 0年代 以来 紧跟国外地质雷达的发展步伐， 针对煤矿井下特 点， 采 用 低 压 电源，研 究 出 一 系 列 新 产 品。 K D L 一3 、 4型矿井防爆地质雷达仪包括接收和发 射天线、 发射机、 接收机、 采样器及电源、 笔记本微 机、 系统专用软件。该系统适用于煤矿和隧道工 程、 市政工程、 探测充水小构造． 地质构造和灾害 地质构造， 包括溶嗣、 老窑、 隐落柱、 含水层、 裂隙 带 、 风氧化带、 采空区冒裂高度、 断层、 煤层厚度、 塌方、 空洞、 滑坡带、 地面沉降带、 地层结构等。另 外还进行了探测采空区隐蔽火源这一世界性难题 的初步试验 ， 取得了一定效果。 2 地质雷达方程及影响因素分析 2 1 地质冒达方程 目标性质的判定即目标识别也是地质雷达探 测的重要内容， 方法主要是根据波形的形状和其 电压幅值结合具体地质条件进行。影响波形电压 高低的因素主要是仪器本身的性能和地下界面 目标 特性。为了叙述方便， 首先参考一下经典 p n 的 对 空 雷 达 方 程 P r i ’ 4 r R 2 ‘ A r 1 收稿 日期 1 9 9 8 1 1 3 0 王 连成 男 高 簪 工 程 师 ， 现 从 事 地 质 雷达 的 研 制 和 应 甩 研 究 工 作 重 庆 o 0 。 7 r ＼ ＼ 质 地 维普资讯 1 8 山 东 矿 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 第 1 8卷 目 A ， 百G S 筹 且 由收发天线的互易性， 则 P P, G2 OU2 r ，、 6 4 3 R4 f2 、 ‘ 式 1 2 中 P 接收机所接收到的功率， W ； 只发射机发射功率， W； R天线到 目标的距离， m； G天线增益， d B； 口 日标截面积， r l l ； 雷达波长， m； ， 一雷达 中心频率， Hz ； u雷达波速度， m／ s ； 式 1 中， 第一项因子 表示距离为 R 处 的功率密度， 它与 Q 的乘积表示距离为R 处、 截 面积为 Q 的目标所截获的反射能量； 第一因子与 第二因子的积表示从该目标反射到接收天线处的 总功率； 上述三个因子的乘积表示接收天线所截 获的能量。另外， 从式 2 还可以看 出， 在估算接 收功率 P 时， 除了考虑仪器本 身的性能和雷达 波在空气中的波长外， 几乎没有考虑到界面特性。 该式显然不能用来描述地质雷达。因为地质雷达 除了定向方法和对空雷达不同之外 ， 更主要是雷 达波传播的介质不同。空气一般看作一种均一介 质， 而地层是一种高损耗 的非均一介质。这种高 损耗性表现在电磁波能量随距离呈指数衰减； 非 均一性即界面的存在， 这种界面两侧不同物理特 性 的介质组合便构 成了各种各样的界面。 为 发射天线效率； D 为发射天线方向系数 ； Q 为 目 标截面积 ； v 为 目标功率反射系数； A 为天线有 效面积， 对于偶极天线， A A -。_ ； 、Dr 分 别为接收天线的效率和方向系数； f为雷达 中心 频率 ； U为界面入射侧电磁波速度。 由天线的互易性， 且 GC D， 可写成 P一 P , G2 O VU2 e 4 3 P一 6 4 r 3 R4 f 2 ⋯ ， 这就是地质雷达方程。 2 ． 2 界面f 且标 的反射系数 如上所述， 地下界面的特性直接影响着 电磁 波的反射。界面特性可以说是两个方面的内容， 一 是其物理特性， 二是形状特性。能够 反映界面 特性特征的物理量是反射系数。由于功率反射系 数 v与场强 的反射系数 L 呈平方关 系 VL ， 我们仅讨论 L即可。 对于地下探测范围内只有一个界面的情形。 可以导出电场反射系数 L 学 4 Z ， Z1 、 式中 L 电场反射系数， Z1 ， Z 2 分别为第 l 、 2层介质的波阻抗 n Z 5 其 模 值l z l √兰／ √4 1 旦 6 1 一 相移角 r t a n I 1 ‘ 当地下有多个界面时， 求解某一界面的反射 系数时要考虑到其它各个界面对该界面的影响， 故情形较为复杂。对于地下有两个界面 三层介 质 的情形则反射系数可写成下式 ． Z2 Z 3 Zz Z1 Z2 Z1 Z， Z 2 ． Z 3一Z2 Z2 Zi e x p 2 j k 2 h 2 c o s 0 2 Z2 一Z1 Z3 一Z2 e x p 2 j k 2 h 2 c o s O 2 7 综上所述， 地下界面两侧介质的特性差异是 地质雷达探测的物理基础， 这种差异的大小是我 们评估探测效果的依据 。从式 4 ～ 7 可 以看 出， 界面两侧介质的波阻抗差异越大则反射越强。 而波阻抗的差异体现在导磁率 介电常数 e和 导电率 的差异上。对于一般非强磁性岩石 t a t 1 2 5 7 1 0 ～H／ m， 变化不大， 而变化最大的 是 e和 。因此可以说， 反射系数 主要取决于界 面两侧 的介电常数和导 电率的差异， 这种差异越 大， 反射越强。 2 ． 3 高额电磁参数{ e 、 、 的影响因素 地下介质的高频电磁参数 e 、 的大小， 一是 由介质 自身的性质决定， 二是受赋存的外部环境 的影响。根据全国 3 0多个主要矿务局的 8 0 多个 矿井、 1 0 0多个煤层、 3 2 5个有代表性的煤样测试， 在雷达频率为 1 6 0 MH z时煤的相对介电常数变化 不大， 2 ． 3 ～3 ． 6 ， 烟煤为 2 5 ～3 ． 0 ； 而岩石的变化 范围稍大些， 一般为 3 ． 0 ～9 0 ， 个别介质可达到 4 0 。煤的导电率从 1 4 ． 7 X 1 0 ～9 ． 0 9 1 0 ～， 而 岩石的导电率变化较大， 可从 1 O 到 l 0 量级， 个别的良导体介质， 如石墨可达 1 O 量缀。 介电常系数可随工作频率的升高而降低， 在 维普资讯 第 1期 王连成 地质 雷达在工 程地质和煤矿 生产 中的应 用 l 9 超高频段趋于稳定； 随地层含水量的增加而增大， 但在含水量超过 5 ％后增加缓慢。这样我们就可 清楚地探测出水体和围岩的分界。而且， 在高温 高压下不发生变化。随着工作频率的提高和 s 、 的随之变化， 地层对 电磁渡的衰减也急剧增大。 总之， 高频场中电磁参数随频率变化的这种 频散现象出现在位移电流对传导电流占优势的频 段， 即在 ≥l的情 形下， 导 电介质在高频场的 作用下产生极化， 由于极化过程的惰性， 即偶极分 子的定向跟不上频率的变化． 致使介电常数随频 率升高而降低， 并产生介质损耗． 使介质的有效导 电率升高。对于绝大多数非磁性岩石导磁率往往 变化不大。 导电率 随工作频率升高而升高 见 图 1 ； 随温度升高而升高 见图 2 ， 当越过冰点时电阻 率突然增加许多． 因此， 地质雷达探测冻土层会有 好的效果， 而且探测距离会大大加大； 另外， 地层 的导电率还具有各向异性， 如在 1 6 0 MHz 时沿煤 层层面传播的导电率是垂直于煤层层面传播的 2 倍左右。这是因为电磁波平行于层面传播时可视 作电阻的并联． 穿层时可视作电阻的串联。 圈 1 不同变质程度煤的电阻率与频率的关系 根据对地质雷达方程和地下界面特性的探讨 和研究可以得出如下结论 含水层与围岩、 灰岩中 的溶洞、 煤 系中的陷落柱 、 断层不连续面、 煤与围 岩、 石灰岩与砂页岩、 火成岩与围岩以及砂岩与泥 岩等都是 良好的反射界面。 2 ． 4 技术方法 地质雷达的探测旅工布置 比较灵活， 根据 具 体情况布置一些测点、 测线或网络。在测线、 网格 上的点距可根据工程所要求的精度选定． 一般为 2 --5 0 m． 还可根据具体情况和需要而灵活加密或 变稀。若旅工工程量较大． 一般首先在室内设计。 地质雷达可 以针对探查 目标 向任意方 向探 测， 对同一目标也可以改变方位角或仰俯角探测。 照在架设天线时要将两天线辐射的轴向保持平 行 ， 且两天线放置在同一平面上， 以便消除干扰， 取得两天线正 前方 6 0 ～8 0 m范 围内的地质 目标 反射渡。在进行反射回波的地质解释时， 除了按 上述方法计算 目标层的深度． 根据单点的回波波 鼍 『 图 2 不同粒度的岩石 通过诛点的导电率的变化 形分析目标的性质外， 还应注意同一目标在剖 面和平面上的宏观展示和变化趋势， 以便正确 把握地质构造的形态。 应用以上方法可对巷道掘进头前方、 两帮、 顶 底板方 向及煤层工作面 内探测， 首先取得满意可 靠的波形资料． 然后进行室 内资料整理和解释。 3 应用实例 3 ． 1 成渝高速公路中梁山隧道 中梁山隧道是成渝公路的关键工程， 左右线 各长 3 1 0 0多米． 是 当时国内最长的公路隧道， 也 是地质构造复杂、 岩层破碎、 塌方、 岩溶水和瓦斯 多处喷出等危险因素多、 难度大的工程。为了旅 工安全和加快工程进度， 重庆市重点公路建设指 挥部采用了地质雷达探测技术， 对 3 0 0 0 m长度进 行超前探测和预测预报。 隧道穿过嘉陵江、 飞仙关、 长兴灰岩岩溶含水 层， 其地表有居民用水水源覆盖， 有突水危险。另 外还穿过中梁山背斜核部龙潭组煤系顶部的岩质 泥岩， 其上覆为长兴灰岩， 溶洞发育， 往往积聚大 维普资讯 2 0 山 东 矿 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 第1 8 卷 量瓦斯； 其下 3 0 m 依次赋存 K】 ～Kl 。 煤层， 中梁 山北矿井下在此 附近测得 K1煤层瓦斯压力为 5 MP a 。另有两条走 向延伸数十公里、 落差 1 5 0 多米的大逆断层向下切朗煤层， 有瓦斯突出的危 险。在这样恶劣的地质条件下须先查明前方瓦斯 地质、 水文地质和工程地质条件， 指导施工。 通过探测成功地预报了三次大的瓦斯与水相 伴涌出、 两条大断层的位置及其含瓦斯情况、 一次 大的破碎带、 若干出水点及含瓦斯情况。据统计， 最大绝对位置误差为 2 ． O re； 其中前两次的瓦斯涌 出量分别是 2 0万 ， 最后一次较少。每次 瓦斯 涌出都伴有高压水柱喷出， 瓦斯与水看似烟雾弥 漫， 伴有吼声。在这些瓦斯与水文地质复杂地段， 由于及时进行了超前探测， 预测预报准确， 施工中 采取措失得力， 没有造成人员伤亡事故， 有效地保 障了安全生产， 加快 了工程进度， 降低了生产成 本， 创造 了可观的经济社会效益。 3 ． 2 海南东线高速公路太茅隧道 海南东线高速公路大茅隧道位于三亚市以东 2 0 k m， 全长 1 0 7 0 m， 全部穿过花岗岩。由于花岗 岩的不均一风化严重， 自 1 9 9 3年 7月开工以来至 1 9 9 5年 5月发生六起严重塌方事故， 施工受阻， 2 2个月只开挖 6 0 0 m。 自1 9 9 5年 5月份应用 KD L 一3型地质雷达 探测技术以来在地面和隧道 内探测塌洞范围和空 间形态， 提供了宝贵资料 ； 在隧道内超前探测和预 测预报， 指导施工， 使隧道开挖安全正常生产， 仅 用 5个月就提前完成 4 0 0 m 开挖任务， 无任何伤 亡， 终于在 1 0月 2 5日胜利贯通， 为年底通车和 9 6国际旅游休闲年会在三亚的召开打下了基础， 产生了较好的社会效益。 3 ． 3 开滦范各庄矿 2 5 0 1 乙头出水点探测 使用地质雷达在 2 5 0 1乙掘进头出水点向前 方进行了探测。如图 3 所示， 以不同方位角和仰、 俯角共布置了 1 5个测点。根据波形分析提出， 前 方在所探测的范围内未发现 陷落柱， 但在 1 4号测 点的 3 0 ． 5 6 m处为 l 4号煤层， 9号点的 3 1 ． 5 0 m 处为 l 2号煤层， 所以根据层位判断 l 号点的 1 4 ． 3 2 m处为断层面， 该断层垂直落差约 1 9 ． 5 m。经 实际验证， 落差为 2 1 ． O m。探测结果与实际接近。 f 下转 5 7页 圉 3 2 5 o 1乙头探测剖面 ． ■ I l 爵 维普资讯 第 l 期 林跃忠 温度作用下基坑支护结构的计算方法 5 7 4 结 论 通过算例可以知道本计算方法简便可行， 并 且能很好的反应基坑支护工程的实际工作情况． 因此可以在基坑支护结构计算过程中加以应用。 参 考 文 献 1 范文田 地下 墙柱静 力计算． 北 京 人 民铁道 出版社． 1 9 7 8 ． 2 卢世 薪． 社亚 超 桩 基础 的计算 和分析 ． 北京 人 民立 通 出版 社 ． 1 9 8 7 Th e Co mpu t a t i o n a l M e t h o d o f t h e Fo n nd a t i o n Ex c a v a t i o n a n d Br a c i n g S t r u c t u r e Un d e r Th e Ac t i o n o f Th e Te mp e r a t u r e Li n Ye e z h o n g S u n Y a o d o n g D e p t C i v l t E n g m e e g ．S I MT Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ，we p u t f o r wa r d t h e c o mp u t a t i o n a ／ mo d e l o f t h e f o u n d a t i o n e x c a v a t i o n a n d b r a c i n g s t r u c t u r e a n d c a r ri e d O U t the t h e o r e t i c a l r e a s o n i n g a n d g a v e O U t the c o mp u t a t i o n a l me t h od ．Th i s me t h o d i s s i mp k a n d a p p l i c a b l e ．I t c a n b e c a l c u l a t d b y h a n d wh e n t h e b r a c i n g i s n o t mo r e t h a n t l 1 r e e如d 0 t k哪 i s e b y u s i n g comp u t e r ， Ke y wo r d s t e mp e r a t u r e ；f o u n d a t i o n e x c a v a t io n；b r a cin g 上接 2 0页 } _ i 一 - ～ 二 ] l _ _ 。 二 一 _ 一 ‘ 一 一 田 4 4 0 8盘区回风巷探 涓变薄带 3 ． 4 大同煤峪口矿 4 0 8 盘区总回风巷探测 该矿 4 0 8盘区总回风巷位于 儿， l 2号煤层合 并区内。 煤层厚度8 ． 5 ～9 ． 0 m， 巷道沿煤层变为 岩石， 是基底突起还是煤层夹石． 巷道是否可以继 续掘进针对这一问题我们进行了探测。如图 4 所示， 从掘进头向后共布置了 1 0个测点， 从各点 的探测数据看， 在第 4点与第 5点之间为该岩石 的出现点， 从该点向掘进前方逐渐增厚， 但在第一 点仍有煤层存在， 这一现象分析断定， 该岩石为 夹石而非基底隆起， 根据该夹石的变化趋势， 预计 前方煤层还在变薄， 但很快会变厚， 夹石总长度约 2 0 --3 0 m， 可以掘进通过。根据这一探测结果． 该 巷道继续掘进， 及时指导了生产． 井揭露该夹石沿 巷道方向的长度约为 2 5 m。 Ap p l i c a t i o n o f Ge o l o g i c Ra d a r i n Eng i n e e r i ng Ge o l o g y an d Co a l mi n e Pr od u c t i o n W a n g L i a n c he n g C h o x a g q i g B r a n c h C e n t r e d Mi n i n g R e s e a r c h l n s t i t t a Ab s t r a c t ,-Th e f e a t u r e s o f g e o l o g i c r a d a r a n d t h e i r infl u e n c i n g f a c t i o r s a r e i r d r od u c e d ．B a s e d 0 n t h e c o n s t ruc t i o n e x a mp l e s o f l a r g e p r o j e c t s a n d the p r odu c t i o n o f c o a ／ mi n e s ，t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e p r a c t i c a l i t y o f g e o l o g i c r a d a r and t h e i mp o r t a n t e f f e c t i n d i r e c t i n g t h e c o n s t r u c t io n 0 f p r o j e c t s a n d p r o d u c t i o n o f c o a l Ke y wo r d s g e o l o g i c r a d a r ；p r e d e t e c t i o n ；e n g i n e e r i n g g e o l o g y；c o a l mi n e p r o d u c t i o n；p r a c t i c a l i t y 维普资讯