基于地质雷达的矿山巷道施工超前预报研究

李兴涛，王德瑞，李亚雄

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司物探分院，云南 昆明 650033）

由于不良地质条件等对矿山巷道施工的安全性造成威胁，需要加强对巷道地质的超前预报，通过运用地质雷达等预测方法不断提高地质预报的准确性。通过预测为巷道施工提供准确的地质资料，从而保证巷道施工巷道符合规范要求。通过调整施工工艺，能够有效减少或者防止施工事故的发生。在对掌子面地质条件精确探测的基础上，对探测结果进行了深入分析，保证了矿山巷道的顺利施工。

1 地质超前预报对矿山巷道施工的积极作用

由于地质条件的限制，矿山巷道开挖所引起的各种地质灾害，巷道施工在很大程度上受到限制，必须采取相应的措施和方法来加以改善。超前地质预报是确保施工生产安全的一项新技术，在复杂地质条件下，先期对掌子面前方地质情况和可能发生的地质灾害进行预报，是防止巷道施工安全事故的重要举措。结合相关地质理论和灾害规律，在地质超前预报的基础上，进行预报资料的分析研究，采取相应及时调整技术措施，确保施工生产的安全，有利于巷道的顺利竣工和工程质量的提高。及时施工、优化设计等措施，避免了灾害和事故的发生，对提高社会经济效益有一定的作用。

2 地质雷达的探测原理及方法

2.1 原理

利用电磁波在不同反射面上的差异性，在地质雷达探测中，将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式通过发射天线定向地送入地底，由于地底地层或目标体具有不同的电性，通过接收天线接收到不同的电性反射回地面。不同介质中传播的电磁波，其传播路径、电磁场强度和波形随介质的电性特性和几何形状的不同而不同。收集时间域波形，对其进行处理分析，明确电磁波反射特征，可揭示地下边界面或地质体的空间位置及构造，进而推算掌子面前的地质状况。

图1 地质雷达测线布置示意图

2.2 方法

根据现场条件，布设两条测线，采用点测方式探测，从而得到两条雷达反射剖面。本次预报选用地质雷达类型为SIR-4000型，采用100MHz的天线，其采集参数为：采集方式为点测法，每扫描一次采样次数为512次，时间窗口为600ns。采集方向如图2所示。

图2 测线一地质雷达探测波形图(左～右)

2.3 探测内容

（1）掌子面前方地质变化及灾害体的分布与性质。

（2）超前地质预报范围段的围岩级别判定。

3 数据处理以及雷达资料解释

地质雷达资料处理的主要是为了能够通过结合相关地质理论，有效排除随机或者有规律的干扰，从而确保地质雷达图像中的反射波的清晰与准确性。除此之外，提取反射波相关参数例如电磁波的速度和振幅以及波形等能够更好地解释地质雷达图像中反射波的特性。

3.1 数字滤波

在地质雷达测量中，数字滤波是一种有效地消除数据中干扰信号的数据处理方法。采用全通记录方式，在记录有效波干扰信息的同时，尽可能多地保存信息，以消除数据中的干扰信号。根据数据中有效信号和干扰信号的频谱范围，数字滤波能够有效去除对干扰波。

3.2 雷达资料的偏移处理

地质雷达的工作原理与反射地震方法一致，它们都是通过电磁波的反射，接收来自地下介质界面的反射波。当地下介质交界面的反射点的法平面通过测点，通过记录反射点以及每个反射点的之前的位置，就能够通过数据处理，反映出地下介质的真实位置。背离测点的地下介质交界面反射点，只要其法平面上有测点，均可记录。数据处理需要将雷达记录中的每一个反射点移至其原始位置，这种处理方法称为偏移归零处理，偏移后的雷达剖面可以反映地下介质的真实位置。

3.3 雷达图像增强处理

（1）振幅恢复：由于波前扩散和介质会吸收电磁破，雷达接收记录会受时间轴的干扰，需要通过振幅恢复确保反射振幅只和反射层有关。

（2）道内均衡：由于经过雷达数据处理，浅层能量强而深层能量弱，因此需要通过道内平衡解决不同地质层信息输出显示的困难，确保各地质层都能清晰显示。

（3）道间均衡：受接受条件差异的影响，导致雷达记录中道之间的能量不平衡，从而影响了剖面上同相轴的连续性，需要通过道间均衡的处理，改善剖面质量。

3.4 雷达解释

探地雷达资料主要反映的是地下介质的电性分布，结合相关地质资料和地质理论，利用雷达解释可以将电性分布转化为地质体分布。在确定了地质分布之后，建立了矿山地质模型，从而获得井下地质模式。

（1）时间剖面的解释方法

在地质雷达预报资料解释的基础上，建立了勘探雷达影像剖面图，根据地下介质的电性差，找出勘探影像剖面中相应的反射波，是合理解释地质雷达预报资料的关键。不仅如此，为了能够提高地质雷达对地质预测的准确性，还需要地质人员具有丰富的经验与技术，充分了解区域地质条件，确保地质信息的完整与准确。

（2）雷达波速度的求取

雷达波速获取是地质雷达预测而资料解释的主要内容之一。雷达波速度的主要包括深度转换这一重要参数，它的准确性直接影响了解释结果的准确性。

4 矿山巷道地质超前预报中地质雷达的实际应用

地质雷达法实测反射波根据现场情况，对K27+627掌子面进行了地质雷达探测，其波形图详见图2。

地质情况分析。

根据巷道掌子面（见图2）、已开挖洞段地质情况，并结合设计资料及地质雷达探测结果，现对该巷道K27+627～K27+652段围岩进行地质综合分析，推测25m范围内的地质情况为：

矿层特性：预报段岩性为灰黑色、灰白色炭质绢云片岩。

矿体坚硬程度：矿体较软，轻易击碎，强度较低，主要为强～全风化。

矿体完整程度：推测前方围岩总体为较破碎～破碎，节理、裂隙发育，岩体多呈碎裂状结构，易掉块坍塌。

主要软弱结构面：根据测试成果分析，掌子面前方2m～6m（里程桩号K27+629～K27+633）、9m～22m（里程桩号K27+636～K27+649）段推测为裂隙密集带，可能含有地下水，围岩破碎。

地下水：测试段矿体富水性较差，属透水性弱～微岩体。

围岩稳定性：测试段围岩总体为较破碎～破碎。围岩自稳能力差，开挖后应及时支护，若不及时支护或支护（处理）不当易产生较大规模的坍塌，隧洞整体稳定性差。

矿石级别：综上所述，本次预报段岩石总体为强～全风化，岩质较软，岩体强度较低，围岩节理、裂隙发育，矿体总体较破碎～破碎，推测围岩总体为Ⅴ2级。

5 结语

以地质雷达在矿山巷道地质超前预报中的实际应用为例，通过探测掌子面前面的地质变化和灾害体的分布、性质，并加强对超前地质预报范围段围岩水平的判断，可以反馈巷道施工工程的地质状况，为矿山巷道施工提供重要的参考依据，促进巷道施工具体方案的制定，及时调整地质条件不符合设计要求的地质，修改方案，更好地满足巷道施工的需要。在矿山巷道地质超前预报中，地质雷达的作用非常重要，它是保证巷道施工安全顺利进行的重要基础。通过合理选择预测过程中的仪器参数与实际经验密切相关，在实际试验过程中应根据实际情况布置试验剖面，以使预测更加准确。提高地质人员的专业性，提高地质解释的准确性，确保地质预测对巷道施工的调整与改进起到积极作用。