应用地质雷达进行巷道围岩富水性探查的试验研究

2014-03-22张彦科

采矿技术 2014年5期

何磊,马银,张彦科

(中国华冶科工集团有限公司，北京 100176)

在我国铁路、公路隧道施工过程中，超前地质预报常用的方法主要有地质分析法、地震超前预报法及地质雷达法等[1]。其中，地质雷达探测法是物探方法中分辨率最高的探测方法。其通过向地下发射高频宽带的电磁脉冲信号，利用地下介质的电磁特性差异，根据回波信号的振幅、波形和频率等特征来分析和推断地质体内部结构特征。地质雷达的探测结果解译具有多解性，传统的解译方法通过地质雷达探测图像波形特征，从同相轴、振幅、频率特征方面进行判断，缺乏半定量的解译标志，对于岩体富水情况的分析准确率较低，从而减弱了地质雷达在井下用于岩体富水性探测的适用性。本文进行的试验研究旨在建立地质雷达探测图像波形特征与半定量频谱分析相结合的解译标志，从而提高地质雷达对岩体富水程度的探测精度[2-3]。

1 地质雷达探测原理

地质雷达法(Ground Penetrating Radar Method)是利用地质雷达发射天线向目的体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目的体的反射电磁波，探测目的体分布的一种勘测方法。其实际是利用介质等电磁波的反射特性，对介质内部的构造和缺陷(或其他不均匀体)进行探测。地质雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描获得断面的扫描图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况[4-5]。

2 地表模拟探测试验

2.1 试验方案

由于试验重在研究地质雷达对岩体富水性的探测反应特征，拟通过对探测试验目标体干燥及富水状态下分别进行探测，研究地质雷达反射波的各项特性差异，从而获取富水体的地质雷达探测解译方法。考虑依托矿山现场条件，试验选取干燥期及雨后的废石堆进行探测，以雨后废石堆作为裂隙富水区模拟探测目标。测线布置4 m，每0.1 m获取一次探测数据，单条测线共获得40组雷达探测数据。

2.2 探测结果分析

试验组在废石堆进行了多次探测，雷达数据通过Reflex软件处理后得到雷达反射波形图及频谱图，在每条测线获取的40道雷达波中任选不相邻的5道雷达波作为频谱分析对象。干燥期、雨后废石堆探测的结果见图1、图2。频谱图中横轴表示频率大小，纵轴表示各频率信号的能量值，该能量值为一相对值，由Reflex后处理系统自动计算生成。对比可知，雨后的废石堆雷达反射波明显加强，波形低频震荡特征明显。废石堆干燥期雷达探测的频谱图显示低频、高频信号能量值相当，雨后的废石堆探测结果显示低频信号能量值明显高于高频信号数。初步分析认为废石堆内的碎石存在孔隙，雨水渗透后含水率增加，雷达电磁波反射增强，频率降低。因此，探测目标体富水性特征可通过雷达反射波中低频、高频信号的能量值进行判别。为便于量化研究反射波信号频率与富水性的关系，本文将各频率数的反射信号的能量值定义为Fn，如雷达反射波中30 MHz频率的信号能量值为F30，定义30～60 MHz的中低频信号与80～110 MHz高频率信号能量值的比值为低频系数，以t表示，即：

t=F30-60/F80-110

(1)

各段信号频数计算方式为以30 MHz为基点，递增5求和，即：

F30-60=F30+F35+F40+…F55+F60

经多次试验，干燥废石堆雷达探测低频系数为1.1～1.4，渗入雨水的废石堆探测低频系数为1.8～2.6，系数大小与雨量大小成正比。因此，在对地质雷达探测波形图的解译基础上，应用低频系数可分析探测体的富水程度。

图1 干燥期废石堆探测雷达数据处理

图2 雨后废石堆探测雷达数据处理

3 井下岩体富水性探查试验

3.1 非富水区探查

通过理论分析可以得出：当掌子面前方围岩完整，岩性稳定时，其介质介电常数基本无变化，地质雷达波反射不明显。对中关铁矿主井-260 m水平副井绕道西向东方向掘进工作面进行了探测，掌子面围岩较稳定，节理裂隙不发育，无渗水淋水。图3为探测的波形图像与单道反射波频谱图。由图3可知，掌子面前方0～12 m区间雷达反射波不明显，少区域见反射波信号。由频谱图可知，中低频信号、中高频信号能量值相差不大，经计算低频系数为1.3，预计该区段围岩特征与掌子面情况基本一致，不富水。开挖后，该区域围岩稳定性较好，无明显地下水产出，无溶洞。探测结果验证了地质雷达地表探测试验结论。

图3 完整围岩预报

3.2 富水区域探查

中关铁矿北风井-260 m水平巷道掘进工作面淋水渗水严重，前方有富水地质构造的可能性较大。对该掌子面进行了地质雷达探测试验，得到的雷达反射波形图及频谱图见图4。从图4可知反射信号明显，同相轴较连续，低频信号明显。频谱图显示，低频区主频为36 MHz，中高频区主频为91 MHz，低频面域明显高于中高频面域，经计算低频系数t=2.35。预计前方围岩富水。在工作面布置了超前钻孔，单孔最大涌水量达200 m3/h，巷道围岩富水。可见在富水岩体探测时，雷达反射波以低频信号为主，低频系数为2.35，与地表废石堆探测结论基本一致。