何 磊,馬 銀,張彥科

(中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司， 北京 100176)

在我國(guó)鐵路、公路隧道施工過(guò)程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用的方法主要有地質(zhì)分析法、地震超前預(yù)報(bào)法及地質(zhì)雷達(dá)法等[1]。其中，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法是物探方法中分辨率最高的探測(cè)方法。其通過(guò)向地下發(fā)射高頻寬帶的電磁脈沖信號(hào)，利用地下介質(zhì)的電磁特性差異，根據(jù)回波信號(hào)的振幅、波形和頻率等特征來(lái)分析和推斷地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果解譯具有多解性，傳統(tǒng)的解譯方法通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像波形特征，從同相軸、振幅、頻率特征方面進(jìn)行判斷，缺乏半定量的解譯標(biāo)志，對(duì)于巖體富水情況的分析準(zhǔn)確率較低，從而減弱了地質(zhì)雷達(dá)在井下用于巖體富水性探測(cè)的適用性。本文進(jìn)行的試驗(yàn)研究旨在建立地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像波形特征與半定量頻譜分析相結(jié)合的解譯標(biāo)志，從而提高地質(zhì)雷達(dá)對(duì)巖體富水程度的探測(cè)精度[2-3]。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法(Ground Penetrating Radar Method)是利用地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線向目的體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目的體的反射電磁波，探測(cè)目的體分布的一種勘測(cè)方法。其實(shí)際是利用介質(zhì)等電磁波的反射特性，對(duì)介質(zhì)內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷(或其他不均勻體)進(jìn)行探測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)雷達(dá)天線對(duì)隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描獲得斷面的掃描圖像，具體工作原理是：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況[4-5]。

2 地表模擬探測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)重在研究地質(zhì)雷達(dá)對(duì)巖體富水性的探測(cè)反應(yīng)特征，擬通過(guò)對(duì)探測(cè)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)體干燥及富水狀態(tài)下分別進(jìn)行探測(cè)，研究地質(zhì)雷達(dá)反射波的各項(xiàng)特性差異，從而獲取富水體的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)解譯方法。考慮依托礦山現(xiàn)場(chǎng)條件，試驗(yàn)選取干燥期及雨后的廢石堆進(jìn)行探測(cè)，以雨后廢石堆作為裂隙富水區(qū)模擬探測(cè)目標(biāo)。測(cè)線布置4 m，每0.1 m獲取一次探測(cè)數(shù)據(jù)，單條測(cè)線共獲得40組雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 探測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)組在廢石堆進(jìn)行了多次探測(cè)，雷達(dá)數(shù)據(jù)通過(guò)Reflex軟件處理后得到雷達(dá)反射波形圖及頻譜圖，在每條測(cè)線獲取的40道雷達(dá)波中任選不相鄰的5道雷達(dá)波作為頻譜分析對(duì)象。干燥期、雨后廢石堆探測(cè)的結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。頻譜圖中橫軸表示頻率大小，縱軸表示各頻率信號(hào)的能量值，該能量值為一相對(duì)值，由Reflex后處理系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成。對(duì)比可知，雨后的廢石堆雷達(dá)反射波明顯加強(qiáng)，波形低頻震蕩特征明顯。廢石堆干燥期雷達(dá)探測(cè)的頻譜圖顯示低頻、高頻信號(hào)能量值相當(dāng)，雨后的廢石堆探測(cè)結(jié)果顯示低頻信號(hào)能量值明顯高于高頻信號(hào)數(shù)。初步分析認(rèn)為廢石堆內(nèi)的碎石存在孔隙，雨水滲透后含水率增加，雷達(dá)電磁波反射增強(qiáng)，頻率降低。因此，探測(cè)目標(biāo)體富水性特征可通過(guò)雷達(dá)反射波中低頻、高頻信號(hào)的能量值進(jìn)行判別。為便于量化研究反射波信號(hào)頻率與富水性的關(guān)系，本文將各頻率數(shù)的反射信號(hào)的能量值定義為Fn，如雷達(dá)反射波中30 MHz頻率的信號(hào)能量值為F30，定義30～60 MHz的中低頻信號(hào)與80～110 MHz高頻率信號(hào)能量值的比值為低頻系數(shù)，以t表示，即：

t=F30-60/F80-110

(1)

各段信號(hào)頻數(shù)計(jì)算方式為以30 MHz為基點(diǎn)，遞增5求和，即：

F30-60=F30+F35+F40+…F55+F60

經(jīng)多次試驗(yàn)，干燥廢石堆雷達(dá)探測(cè)低頻系數(shù)為1.1～1.4，滲入雨水的廢石堆探測(cè)低頻系數(shù)為1.8～2.6，系數(shù)大小與雨量大小成正比。因此，在對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)波形圖的解譯基礎(chǔ)上，應(yīng)用低頻系數(shù)可分析探測(cè)體的富水程度。

圖1 干燥期廢石堆探測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

圖2 雨后廢石堆探測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

3 井下巖體富水性探查試驗(yàn)

3.1 非富水區(qū)探查

通過(guò)理論分析可以得出：當(dāng)掌子面前方圍巖完整，巖性穩(wěn)定時(shí)，其介質(zhì)介電常數(shù)基本無(wú)變化，地質(zhì)雷達(dá)波反射不明顯。對(duì)中關(guān)鐵礦主井-260 m水平副井繞道西向東方向掘進(jìn)工作面進(jìn)行了探測(cè)，掌子面圍巖較穩(wěn)定，節(jié)理裂隙不發(fā)育，無(wú)滲水淋水。圖3為探測(cè)的波形圖像與單道反射波頻譜圖。由圖3可知，掌子面前方0～12 m區(qū)間雷達(dá)反射波不明顯，少區(qū)域見(jiàn)反射波信號(hào)。由頻譜圖可知，中低頻信號(hào)、中高頻信號(hào)能量值相差不大，經(jīng)計(jì)算低頻系數(shù)為1.3，預(yù)計(jì)該區(qū)段圍巖特征與掌子面情況基本一致，不富水。開(kāi)挖后，該區(qū)域圍巖穩(wěn)定性較好，無(wú)明顯地下水產(chǎn)出，無(wú)溶洞。探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)地表探測(cè)試驗(yàn)結(jié)論。

圖3 完整圍巖預(yù)報(bào)

3.2 富水區(qū)域探查

中關(guān)鐵礦北風(fēng)井-260 m水平巷道掘進(jìn)工作面淋水滲水嚴(yán)重，前方有富水地質(zhì)構(gòu)造的可能性較大。對(duì)該掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)，得到的雷達(dá)反射波形圖及頻譜圖見(jiàn)圖4。從圖4可知反射信號(hào)明顯，同相軸較連續(xù)，低頻信號(hào)明顯。頻譜圖顯示，低頻區(qū)主頻為36 MHz，中高頻區(qū)主頻為91 MHz，低頻面域明顯高于中高頻面域，經(jīng)計(jì)算低頻系數(shù)t=2.35。預(yù)計(jì)前方圍巖富水。在工作面布置了超前鉆孔，單孔最大涌水量達(dá)200 m3/h，巷道圍巖富水。可見(jiàn)在富水巖體探測(cè)時(shí)，雷達(dá)反射波以低頻信號(hào)為主，低頻系數(shù)為2.35，與地表廢石堆探測(cè)結(jié)論基本一致。

4 結(jié) 論

通過(guò)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)地表及井下的探測(cè)試驗(yàn)，得到地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行井下掘進(jìn)巷道圍巖富水性探查的解譯規(guī)律，并進(jìn)行了應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

(1)低頻系數(shù)可作為地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行井下探測(cè)目標(biāo)是否富水的標(biāo)志。富水程度與低頻系數(shù)呈正相關(guān)性。低頻系數(shù)小于1.4時(shí)，富水可能性較小，低頻系數(shù)大于1.8時(shí)富水可能性大。

(2)通過(guò)傳統(tǒng)的波形圖分析與低頻系數(shù)相結(jié)合，可顯著提高地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的解譯精度。

圖4 富水巖體預(yù)報(bào)頻譜及雷達(dá)波形

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