探地雷达探测地下采空区的研究

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1、探地雷达探测地下采空区的研究程久龙1,胡克峰2,王玉和1,曹吉胜1（1•山东科技大学，山东泰安271019；2•山东华宁矿业有限公司,山东泰安271405）摘要：地下采空区的存在严重威胁着地血建筑物和矿山的安全。介绍了探地雷达的原理和技术方法，包括数据采集.数据处理和资料解释，分析了煤矿采空区的地球物理特征及主要的技术难度，结合具体工程实例，探讨了利用探地雷达技术查明地表浅部采空区的效果。关键词：探地雷达；采空区；探测中图分类号：TU459文献标识码：AResearchondetectingofundergroundmined・outareasbyusingGPRCHENGJi

2、u-longHUKe-feng2,WANGYu-heCAOJi-sheng1(1.ShandongUniversityofScience&Tcchnology,Tai'an271019,China;2.ShandongHuaningCoalGroupCo.,Tai'an271405,China)Abstract:Theexistenceoftheundergroundmined-outareasposesagravethreattothesafetyofgroundbuildings・Thepaperintroducestheprinciplesandtechniqueso

3、fgroundpenetratingradar(GPR),includingdataacquisition,processingandexplanations・Iialsoanalyzesthegeophysicalfeaturesofmined-outcoalareasandthemajortechniquetroubleproblems.Basedonspecificprojects,thijpapertouchesontheeffectsofthedetectiontotheshallowmined・outureasbyusingGPR・Keywords:groundpe

4、netratingradar(GPR);mined-outarea;detection收稿日期：2004-07-20作者简介：程久龙，男，1965年生，教授，博士生导师，副院长，主要从事地球探测与信息技术的科研和教学工作。1引言近儿年来，随着矿区地面建筑规模的扩大，一些建在矿山采空区上方的建筑物出现不同程度的安全问题，如建筑物倾斜、开裂、倒塌等，严重威胁着人民生命和财产安全。地下釆空区是指地下矿层被开釆的区域，有的年代久远，釆空区上方的岩层变形移动已经趋于稳定；有的是近些年来开采，釆空区上方的岩层正处于活动期，处于不稳定状态。釆空区的范围及性质决定于开采方法，一般说来，若采用长

5、壁或短壁开采，顶板垮落，采空区被压实；若采用房柱式开采，顶板未垮落，采空区充填水或者空气。对地下采空区的探测技术方法较多，主要以钻探和地球物理方法为主。钻探方法比较直观，但只是“一孔之见”，对于小煤矿滥采乱挖形成的采空区无能为力。地球物理方法以其而积测量的优势得到广泛应用，取得了明显的地质效果。日前，主要的地球物理方法有电法、地震方法、雷达等，电法探测精度偏低，但对采空区是否含水的探测效果较好；地震方法适用于探测深度较深的目标体；探地雷达适用于探测深度较浅的目标体，由于可以更换不同频率的天线，适用面较广，且探测分辨率高。本文主要介绍利用探地雷达技术进行浅地表釆空区探测的技术方法

6、及地质效果。2探地雷达原理探地雷达是利用高频电磁波（主频为数十兆就至数百兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地而通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返冋地面，为另一天线R所接收，脉冲波旅行吋可表示为t=yl（4z2+x2）/V（1）式屮f为电磁波双程走时；z为反射体的深度；y为地下介质中的波速；兀为发射与接收天线的距离。当地下介质中的波速卩为已知时，可以根据测到的精确吋间？值，由上式求出反射体的深度z。电磁波在介质中传播时，其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及儿何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料,可推断介质的结构。雷达图形常以脉冲反

7、射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰阶或彩色表示。这样同相轴以等灰度、等色线即可形象地表征出地下反射面。图1为雷达探测及波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画岀了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达时间剖面。由于探地雷达发射的电磁波段常为1（/以上数量级，在地层介质中雷达波波长一般为0.1〜2m,所以探地雷达在探测浅部地层介质时，具有比地震波法更高的分辨率，而且具有经济、非破坏性、快速的优点。图1雷达探测原理示意图Fig.lSk