李興濤，王德瑞，李亞雄

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司物探分院，云南 昆明 650033）

由于不良地質(zhì)條件等對(duì)礦山巷道施工的安全性造成威脅，需要加強(qiáng)對(duì)巷道地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)，通過運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)等預(yù)測(cè)方法不斷提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。通過預(yù)測(cè)為巷道施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，從而保證巷道施工巷道符合規(guī)范要求。通過調(diào)整施工工藝，能夠有效減少或者防止施工事故的發(fā)生。在對(duì)掌子面地質(zhì)條件精確探測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了深入分析，保證了礦山巷道的順利施工。

1 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對(duì)礦山巷道施工的積極作用

由于地質(zhì)條件的限制，礦山巷道開挖所引起的各種地質(zhì)災(zāi)害，巷道施工在很大程度上受到限制，必須采取相應(yīng)的措施和方法來加以改善。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是確保施工生產(chǎn)安全的一項(xiàng)新技術(shù)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，先期對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況和可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)，是防止巷道施工安全事故的重要舉措。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)理論和災(zāi)害規(guī)律，在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行預(yù)報(bào)資料的分析研究，采取相應(yīng)及時(shí)調(diào)整技術(shù)措施，確保施工生產(chǎn)的安全，有利于巷道的順利竣工和工程質(zhì)量的提高。及時(shí)施工、優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施，避免了災(zāi)害和事故的發(fā)生，對(duì)提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益有一定的作用。

2 地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理及方法

2.1 原理

利用電磁波在不同反射面上的差異性，在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中，將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式通過發(fā)射天線定向地送入地底，由于地底地層或目標(biāo)體具有不同的電性，通過接收天線接收到不同的電性反射回地面。不同介質(zhì)中傳播的電磁波，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形隨介質(zhì)的電性特性和幾何形狀的不同而不同。收集時(shí)間域波形，對(duì)其進(jìn)行處理分析，明確電磁波反射特征，可揭示地下邊界面或地質(zhì)體的空間位置及構(gòu)造，進(jìn)而推算掌子面前的地質(zhì)狀況。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

2.2 方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，布設(shè)兩條測(cè)線，采用點(diǎn)測(cè)方式探測(cè)，從而得到兩條雷達(dá)反射剖面。本次預(yù)報(bào)選用地質(zhì)雷達(dá)類型為SIR-4000型，采用100MHz的天線，其采集參數(shù)為：采集方式為點(diǎn)測(cè)法，每掃描一次采樣次數(shù)為512次，時(shí)間窗口為600ns。采集方向如圖2所示。

圖2 測(cè)線一地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)波形圖(左～右)

2.3 探測(cè)內(nèi)容

（1）掌子面前方地質(zhì)變化及災(zāi)害體的分布與性質(zhì)。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的圍巖級(jí)別判定。

3 數(shù)據(jù)處理以及雷達(dá)資料解釋

地質(zhì)雷達(dá)資料處理的主要是為了能夠通過結(jié)合相關(guān)地質(zhì)理論，有效排除隨機(jī)或者有規(guī)律的干擾，從而確保地質(zhì)雷達(dá)圖像中的反射波的清晰與準(zhǔn)確性。除此之外，提取反射波相關(guān)參數(shù)例如電磁波的速度和振幅以及波形等能夠更好地解釋地質(zhì)雷達(dá)圖像中反射波的特性。

3.1 數(shù)字濾波

在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量中，數(shù)字濾波是一種有效地消除數(shù)據(jù)中干擾信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法。采用全通記錄方式，在記錄有效波干擾信息的同時(shí)，盡可能多地保存信息，以消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)。根據(jù)數(shù)據(jù)中有效信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜范圍，數(shù)字濾波能夠有效去除對(duì)干擾波。

3.2 雷達(dá)資料的偏移處理

地質(zhì)雷達(dá)的工作原理與反射地震方法一致，它們都是通過電磁波的反射，接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)交界面的反射點(diǎn)的法平面通過測(cè)點(diǎn)，通過記錄反射點(diǎn)以及每個(gè)反射點(diǎn)的之前的位置，就能夠通過數(shù)據(jù)處理，反映出地下介質(zhì)的真實(shí)位置。背離測(cè)點(diǎn)的地下介質(zhì)交界面反射點(diǎn)，只要其法平面上有測(cè)點(diǎn)，均可記錄。數(shù)據(jù)處理需要將雷達(dá)記錄中的每一個(gè)反射點(diǎn)移至其原始位置，這種處理方法稱為偏移歸零處理，偏移后的雷達(dá)剖面可以反映地下介質(zhì)的真實(shí)位置。

3.3 雷達(dá)圖像增強(qiáng)處理

（1）振幅恢復(fù)：由于波前擴(kuò)散和介質(zhì)會(huì)吸收電磁破，雷達(dá)接收記錄會(huì)受時(shí)間軸的干擾，需要通過振幅恢復(fù)確保反射振幅只和反射層有關(guān)。

（2）道內(nèi)均衡：由于經(jīng)過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，淺層能量強(qiáng)而深層能量弱，因此需要通過道內(nèi)平衡解決不同地質(zhì)層信息輸出顯示的困難，確保各地質(zhì)層都能清晰顯示。

（3）道間均衡：受接受條件差異的影響，導(dǎo)致雷達(dá)記錄中道之間的能量不平衡，從而影響了剖面上同相軸的連續(xù)性，需要通過道間均衡的處理，改善剖面質(zhì)量。

3.4 雷達(dá)解釋

探地雷達(dá)資料主要反映的是地下介質(zhì)的電性分布，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料和地質(zhì)理論，利用雷達(dá)解釋可以將電性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體分布。在確定了地質(zhì)分布之后，建立了礦山地質(zhì)模型，從而獲得井下地質(zhì)模式。

（1）時(shí)間剖面的解釋方法

在地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)資料解釋的基礎(chǔ)上，建立了勘探雷達(dá)影像剖面圖，根據(jù)地下介質(zhì)的電性差，找出勘探影像剖面中相應(yīng)的反射波，是合理解釋地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)資料的關(guān)鍵。不僅如此，為了能夠提高地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地質(zhì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，還需要地質(zhì)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，充分了解區(qū)域地質(zhì)條件，確保地質(zhì)信息的完整與準(zhǔn)確。

（2）雷達(dá)波速度的求取

雷達(dá)波速獲取是地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)而資料解釋的主要內(nèi)容之一。雷達(dá)波速度的主要包括深度轉(zhuǎn)換這一重要參數(shù)，它的準(zhǔn)確性直接影響了解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 礦山巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中地質(zhì)雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)法實(shí)測(cè)反射波根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)K27+627掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，其波形圖詳見圖2。

地質(zhì)情況分析。

根據(jù)巷道掌子面（見圖2）、已開挖洞段地質(zhì)情況，并結(jié)合設(shè)計(jì)資料及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，現(xiàn)對(duì)該巷道K27+627～K27+652段圍巖進(jìn)行地質(zhì)綜合分析，推測(cè)25m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為：

礦層特性：預(yù)報(bào)段巖性為灰黑色、灰白色炭質(zhì)絹云片巖。

礦體堅(jiān)硬程度：礦體較軟，輕易擊碎，強(qiáng)度較低，主要為強(qiáng)～全風(fēng)化。

礦體完整程度：推測(cè)前方圍巖總體為較破碎～破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體多呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，易掉塊坍塌。

主要軟弱結(jié)構(gòu)面：根據(jù)測(cè)試成果分析，掌子面前方2m～6m（里程樁號(hào)K27+629～K27+633）、9m～22m（里程樁號(hào)K27+636～K27+649）段推測(cè)為裂隙密集帶，可能含有地下水，圍巖破碎。

地下水：測(cè)試段礦體富水性較差，屬透水性弱～微巖體。

圍巖穩(wěn)定性：測(cè)試段圍巖總體為較破碎～破碎。圍巖自穩(wěn)能力差，開挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)，若不及時(shí)支護(hù)或支護(hù)（處理）不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌，隧洞整體穩(wěn)定性差。

礦石級(jí)別：綜上所述，本次預(yù)報(bào)段巖石總體為強(qiáng)～全風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，巖體強(qiáng)度較低，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，礦體總體較破碎～破碎，推測(cè)圍巖總體為Ⅴ2級(jí)。

5 結(jié)語

以地質(zhì)雷達(dá)在礦山巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的實(shí)際應(yīng)用為例，通過探測(cè)掌子面前面的地質(zhì)變化和災(zāi)害體的分布、性質(zhì)，并加強(qiáng)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段圍巖水平的判斷，可以反饋巷道施工工程的地質(zhì)狀況，為礦山巷道施工提供重要的參考依據(jù)，促進(jìn)巷道施工具體方案的制定，及時(shí)調(diào)整地質(zhì)條件不符合設(shè)計(jì)要求的地質(zhì)，修改方案，更好地滿足巷道施工的需要。在礦山巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，地質(zhì)雷達(dá)的作用非常重要，它是保證巷道施工安全順利進(jìn)行的重要基礎(chǔ)。通過合理選擇預(yù)測(cè)過程中的儀器參數(shù)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，在實(shí)際試驗(yàn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況布置試驗(yàn)剖面，以使預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。提高地質(zhì)人員的專業(yè)性，提高地質(zhì)解釋的準(zhǔn)確性，確保地質(zhì)預(yù)測(cè)對(duì)巷道施工的調(diào)整與改進(jìn)起到積極作用。