双频地质雷达探测在矿山工程裂隙破碎带勘探中的应用

李海威

（中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司，河南 郑州 450000）

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是一种广泛应用于地质探测的高频电磁脉冲波技术，频率一般在5～2000MHz之间，再利用电磁脉冲波反射来探测地下目的体分布形态及特征。近年来，该技术被广泛地应用于公路、铁路、矿山等工程领域，在实际工程中主要用来探测前方不良地质的分布、产状，为矿山隧道的开发方式选择、进尺、支护参数设计提供依据。在探测过程中，研究人员一般选择以低频天线为主，但低频天线探测距离长精度低，而高频天线探测精度高距离短，而选择双频天线可实现中长距离（45m）和短距离（15m）同时预报，为隧道地质提供精准预报。

1 地质雷达的基本原理与探测方法

1.1 地质雷达的基本原理

地质雷达的探测原理是根据岩层、土质及其它不同导电率介质的物探及相邻两种物质的电性、物性差异为测试条件，形成反射界面，从而探测地下目标体的分布形态及特征。电磁波的穿透深度取决于介质的介电常数和电导率，记录反射时间。

1.2 地质雷达的探测方法

考虑到掌子面前方可能存在岩溶发育情况，选择中心频率为70MHz和300MHz雷达天线，在掌子面上布置两条测线，必要时可布置成“井”字形或其他网格形式。选择合适的采样点和波速，采用连续测量的方式，不能连续测量的地段可采用点测模式。连续测量时天线应均匀移动，并与仪器的扫描率相匹配；点测时移动间隔为0.1m～0.2m。

2 双频地质雷达在矿山开采中应用

2.1 工程地质概况

矿山隧道全长1862.748m，最大埋深约232m。工程所在区域属溶蚀洼地、槽谷地貌，洞身地段多为峰丛、洼地，地形起伏较大，坡陡沟深，绝对高程147m～408m，相对高差最大达261m，自然坡度一般15°～60°，局部为陡崖。所在区域地层岩性为上覆第四系全新统坡残积红黏土，下伏基岩为三叠系下统马脚铃组灰岩、白云质灰岩夹白云岩，隧道区地层总体呈单斜构造。

2.2 地质观察

开挖后裸露围岩为灰岩，白云质灰岩，中厚层状，隐晶质结构，质坚、性脆、致密、坚硬，钙质胶结，含少量方解石脉，节理、裂隙较发育，地表见溶洞、蜂窝状溶孔、溶隙、弱风化带属V级次坚石。节理裂隙较发育～不发育，裂隙中有少量岩屑填充，掌子面稍显湿润，受爆破影响，围岩新生裂隙较多，围岩自稳能力较好。其掌子面照片如图1所示。

图1 围岩照片

2.3 岩溶探测

从图2中的雷达波形图中可看出1m～3m处存在一明显反射界面，边界形成强反射波，测该处可能为溶洞。结合低频雷达波形图，探测信号中高频成分的衰减是缓慢的，而其低频信号不明显，在溶洞区未形成明显的反射，推测该溶洞不大，且无水和其它填充物。图3为开挖后溶洞，可见前面根据雷达波所做的围岩地质情况预测和揭露情况较为一致。

图2 雷达波形图

图3 围岩破碎带照片

2.4 裂隙破碎带探测

裂隙破碎带或密集带一般存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中。由于裂隙内比较破碎且不连续，与周边围岩形成电性差异，在雷达波形图上显示为区域性的高频密纹反射波，如下图4所示矿山隧道探测的雷达波形。

图4 雷达波形图

从中频雷达波分析，在掌子面前方出现多处高频密纹反射波，中频和低频雷达均有明显反射特征，从开挖之后的围岩情况来看，出现高频密纹反射波处为裂隙发育区，裂隙之间存在夹泥或岩屑，如图5所示。

图5 围岩破碎带照片

3 地质雷达的注意事项

（1）对雷达数据的解释需要结合地质资料，在进行数据采集之前需要对开挖后的掌子面地质情况进行调查，同时数据采集时要注意记录周边金属（台车、锚杆）、对讲机等电磁波的干扰，以保证雷达采集数据的准确性。

（2）在探测过程中，天线尽量保持与掌子面平行且尽可能贴近掌子面，要尽可能多的采集数据，便于后期数据分析处理。

（3）图像解释时应分析整个波形图，重点研究同向轴连续、振幅变化大的波，对绕射波、散波、同相轴不连续要进行解析。

（4）由于波速不是稳定的，判读一般都存在一定误差，需要不断地把预测结果和现场掌子面情况进行对比，不断检验和修正。

4 结语

（1）低频天线探测距离长、精度低，高频天线探测距离短、精度高，很小的不良地质体对隧道的影响较小，因而工程中多使用低频天线，而在精细化探测时需将低频与中频相结合，能更好地做好精准探测。

（2）中低频地质雷达对断层、含水区、裂隙破碎带等具有较高的识别能力，探测效果明显，含水区岩层或软弱夹层区在雷达图像中表现为强反射带，反射波主频降低，相位发生翻转，并且通过富水区后能量衰减很快。

（3）溶洞的雷达波形图典型特征是边界形成强反射带，由于基岩和填充物性质的显著差异，充填型岩溶洞穴会形成中间和周围基岩反射程度的强烈差别，特别是有水充填的岩溶洞穴。

（4）裂隙破碎带反射波同相轴杂乱，反射界面较多，如果岩层比较破碎时，频谱较宽，主频特征明显，并且波幅衰减很快。

（5）把雷达探测的解释和围岩的地质特征解释结合起来，进行综合分析和判读是一种提高预报准确度的方法，但由于不同的地质构造差异很大，对雷达图像的判读和识别具有很多解性。这就要求工程物探人员不断努力积累实际工程经验，提高专业技能，使雷达预报应用达到一个新的高度。