矿井地质雷达的方法及应用

摘　要：介绍了矿井地质雷达的特点、现状和探测解释方法，分析了其影响因素，基于对各种地质条件下不同的探测对象而采用不同的解释方法，分析了地质雷达的实用性及在煤矿生产、大型工程中的作用.
关键词：矿井地质雷达；方法；影响因素；实用性

1　矿井地质雷达的特点及其发展应用现状

　　在隧道开挖、煤矿生产及地面工程建设中经常遇到复杂的地质异常，给施工带来困难， 尤其是穿过老窑、软弱破碎带、岩溶区，或者煤与瓦斯突出的危险区域， 若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与瓦斯突出等事故，影响安全生产.在地面工程地质勘探中， 要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地质探测手段提出了高的要求.实践证明，应用矿井地质雷达进行探测，简便快捷，机动灵活，能较好而准确地提供资料，取得较好效果.
　　自60年代以来，地质雷达经过不断研究已发展到单点探测和连续探测实时自动成图. 国外的探地雷达均为单脉冲雷达,其特点是发射信号为高压窄脉冲,工作频率为50～1 000 MHz,分辨率高，但设备不易满足矿井防爆要求.由于地层对电磁波的衰减随工作频率的升高而增大， 低频段多用于探测衰减较大的地下目标或远距离目标，而高频段多用于衰减小的地层中的探测、浅部或表面探测. 由于中间频段既有较大的探测距离又兼顾了分辨率，所以多用于普查勘探，而高频段和低频段仪器多用于详查、精查勘探或针对性较强的探测.煤炭科学研究总院重庆分院针对我国煤矿井下特点，在研制脉冲调制式矿井防爆地质雷达时，既考虑到大探距又兼顾了高分辨率，开发出了系列产品. 尤其是KDL-3，4型矿井防爆地质雷达，由发射天线、接收天线、发射机、接收机、采样器、笔记本微机、系统专用软件等组成，高新技术含量高，探测距离突破了60 m,分辨率达0.3 m.该系统已用于15个矿务局、12座公路铁路隧道、5个市政工程、伊朗霍梅尼国际机场和在用隧道病害区， 进行了矿井地质小构造、煤与瓦斯突出危险区域的地质构造、隐伏坎儿井等的探测.

2　地质雷达方程及影响因素分析

2.1　地质雷达方程
　　　　地质雷达是一种地下甚高频-超高频电磁波定位探测法， 根据回波的时间和电磁波在相应介质中的传播速度确定目标距离，并通过分析判断目标性质. 目标性质的判定，即目标识别技术是地质雷达探测方法的重要内容，主要是根据波形的形状、电压幅值及其在横向和纵向上的衰减变化， 结合地质知识进行的.影响波形电压的因素主要是仪器性能、地下介质和界面（目标）特性.根据文献［1］，经典的对空雷达方程为

　(1)

　　对于偶极天线,因且收发天线具有互易性,则

　(2)

式中，P_r为接收机接收到的功率,W; P_t为发射机发射功率,W;R为天线到目标的距离,m; A_r为天线有效面积，m²；G为天线增益,dB; Q为目标截面积,m²;λ为雷达波长,m; f为雷达中心频率,Hz; c为雷达波速度，m/s.
　　从式(2)可以看出， 在计算接收功率时,仅考虑到仪器性能而没有考虑界面的反射特性和介质的衰减，显然该式不能用来描述地质雷达.空气一般被看作均一介质，而地层是一种高损耗的非均一导电介质. 这种高损耗性表现在电磁波能量随距离呈指数衰减；非均一性即存在界面，界面两侧的介质具有不同的物理特性.令ρ为界面功率反射系数，α为电场衰减系数，由于电场随距离的往返衰减为e^-2αR，且功率与电场呈平方关系，因此由式(2)可导出地质雷达方程为

　(3)

2.2　界面(目标)的电磁特性
　　地下界面的特性(包括电磁特性和形状特性)直接影响着电磁波的反射.能够反映界面电磁特性的物理量是反射系数.由于功率反射系数ρ与场强反射系数L呈平方关系，即ρ=L²，为此仅讨论L.
　　对于地下只有一个界面的情形，根据文献［2］可导出电场反射系数，即

　(4)

式中，L为电场反射系数; Z₁,Z₂分别为第1,2层介质的波阻抗,Ω，Z=［jωμ／(σ+jωε)］^1/2，其中ω，σ，ε，μ分别为角频率、电导率、介电常数、磁导率.
　　当地下有多个界面时，求解某一界面的反射系数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3层介质的情形，根据文献［2］，第1个界面的电场反射系数为

　(5)

式中，k₂为第2层介质的传播常数; h₂为第2层介质的厚度,m;θ₂为第2层介质的折射角,(°); Z₁，Z₂，Z₃为分别为1，2，3层介质的波阻抗，Ω.
　　从式(4)，(5)可以看出,界面两侧介质的波阻抗差异越大，反射越强, 而波阻抗的差异体现在电导率σ、磁导率μ和介电常数ε的差异上.沉积岩一般为非强磁性岩石，μ=μ₀=12.57×10^-7 H/m， 变化不大，而变化最大的是ε和σ.因此可以说， 反射系数主要取决于界面两侧介质的介电常数和电导率的差异，这种差异越大，反射越强.
　　界面的形状、尺寸和产状也直接影响到回波的幅值和形状.例如， 处于一种理想产状的平整断层面的波形一般比较尖细，含水裂隙带或断层破碎带的波形稍宽一些； 陷落柱的波形钝而宽缓，边缘往往不规则，这是因为平整的界面能够集中反射能量，而陷落柱则不同， 它除了因外形不规则形成漫反射而产生时间延迟外，也往往因其内部不完全充填而形成反射，波形紧迭其后，反映在回波上有一定的持续宽度且不规则.因此， 可根据波形特征结合其它的处理解释方法来解释反射目标.

2.3　高频电磁参数(ε，σ)的影响因素
　　地下介质的高频电磁参数ε，σ由介质自身的性质决定，并受赋存的外部环境影响.根据对全国325个有代表性的煤样测试结果，在雷达频率为160 MHz时煤的相对介电常数ε_r变化不大,为2.3～3.6，其中烟煤为2.5～3.0;而岩石的变化稍大些,一般为3.0～9.0,个别介质可达40，水为81.煤的电导率为1.47×10^-2～9.09×10^-4 S/m；而岩石的电导率变化较大，可从10^-2到10^-8量级,石墨可达10⁴～10⁶量级.
　　介电常数随工作频率的升高而降低，在超高频段趋于稳定；随地层含水量的增加而增大， 但在含水量超过5%后增加趋缓，而且，在高温、高压下不发生变化.随着工作频率的提高和ε_r，σ的变化，地层对电磁波的衰减也急剧增大.电导率随工作频率和温度的升高而升高.另外，地层的电导率还具有各向异性， 如在160 MHz时，沿煤层层面的电导率是垂直于煤层层面的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，穿层时可视作串联.
　　综上所述，地下非均一介质由于介电常数与电导率的明显差异而构成了电磁波反射界面， 如含水层与围岩、空洞、溶洞、陷落柱、断层面及煤层顶底板等都是良好的反射界面.

3　探测和解释方法

　　地质雷达的探测布置方法比较灵活，根据具体情况布置一些测点、测线或网格.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2～50 m，还可根据具体情况和需要灵活改变.若勘探工程量大，应首先在室内进行设计.应用地质雷达可在巷道掘进工作面及煤层工作面内的任意方向探测，对同一目标可以改变方位角或仰俯角探测.在进行资料的地质解释时除根据波形的特征判别目标性质外， 还应注意追踪回波在横向和纵向上的延续和变化，对应展现出地质构造在平面和剖面上的形态.尤其是在地面进行大面积勘探时，小的孤立目标在平面上不易追踪，这时可采用横向衰减对比处理解释方法，只要在勘探时有足够的控制密度就可以找到突变点，即目标所在位置.

4　应用实例

4.1　开滦范各庄矿探测未知陷落柱
　　范各庄矿北翼采区208运输乙巷沿12号煤层掘进，位于井口高水位区，其水位比周围高70 m. 在地质雷达跟踪超前探测中出现了与已知陷落柱相似的波形，因此当时提出前方有一个大的破碎带,初步判断是陷落柱.随后停止掘进，再次进行地质雷达详探确认，同时进行钻探（42 mm 孔）验证.如图1所示，先沿煤层打验10孔在38 m处见岩石，在119 m处又钻入煤层，125.43 m终孔.由于小钻头钻进取芯很少，难以对岩石准确判断.后在煤层中打验11孔，钻进24 m进入煤层顶板，一直钻到60 m层位仍然正常.据此钻探结果并经分析，有人认为前方为两条断层.地质雷达的探测结果是：前方界面呈弧形分布，而且出现了陷落柱的波形，因此再次确认前方为一个新的陷落柱，编号12，验10孔打到的119 m是其另一边界，其长轴长约50 m.后来,由于12号煤的煤质松软，验11 孔出水量有逐渐增大趋势.据此巷道附近的地面钻孔资料，12号煤层底板砂岩水压高达3 MPa，后又经对仅有的几块岩芯仔细鉴定，认为是上覆的9 号煤层底板，所以认为是陷落柱的结论是正确的.随后该处用三道水闸墙封堵，后退绕行掘进，避免了一次透水事故的发生.