地质雷达在矿井塌方空洞及松动区检测中的应用

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1、岩土工程界第11卷第7期地质雷达在矿井塌方空洞及松动区检测中的应用陶连金魏光远韦宏鹄孙玉辉蒯本秋管诚(北京工业大学建筑工程学院)摘要以某矿井顶板塌方空洞和松动区检测为例说明了地质雷达的工作原理,操作流程以及检测资料的分析处理。检测结果指明了塌方空洞和松动区的分布范围和大小,为下一步进行回填注浆加固提供了基础数据。关键词地质雷达塌方空洞松动区分开矿井地质雷达(GroundPenetratingRadar,简称GPR)盖了考古、矿产资源勘查、岩土工程测试、工程质量又称探地雷达,最早由德国人Leimbach和Lowy于无损检测、环境工程等诸多领域。1910年阐

2、明其概念。近10年微电子技术的发展和2地质雷达的工作原理信号传输技术的进步解决了地质雷达的高速采样和信息处理技术,地质雷达测试技术因此获得革命性地质雷达一般由计算机、控制面板、发射电路、[1]发展,应用日益广泛。发射天线、接收电路、接收天线组成。基本工作原理目前国产地质雷达主要有重庆和青岛两家,由是利用高频电磁波,以宽频带短脉冲的形式,在地面于体积庞大或信号采集不理想,使用较多的是进口通过发射天线将信号送入地下,由接收天线接收经雷达。其中代表性的有美国地球物理检测设备公司地层界面或目标体反射后返回地面的那部分电磁波(GSSI)的SIR系统、加拿大探头及软

3、件公司(SSI)反射信号,然后通过计算机分析电磁波反射信号的的pulseEKKO系列、瑞典地质公司(SGAB)的RA2时频特征和振幅特征来确定地层或目标体的位置、MAC地质雷达系统及日本应用地质株式会社几何形态和结构等。[1,2](OYO)的GEORADAR系列等4家。对某矿井风井井筒顶板的塌方空洞和松动区检测使用瑞典地质公司的RAMAC/GPR系列地质雷达,获取了比较准确的空洞和松动区分布范围,为地质雷达在井巷工程中的应用做了一些探索。1地质雷达的优势和使用范围地质雷达作为一种利用高频电磁脉冲波的反射检测地下目的体分布形态及特征的地球物理检测方法,具有

4、很多难以比拟的优势:图1地质雷达工作原理图(1)无损检测,检测目标体时无需钻孔,对目标体没有扰动,可保持目标体的原有状态;不同介质具有不同的物理特性,金属对电磁波(2)高分辨率,RAMAC系列天线频率最高可具有很强的反射能力,因此巷道衬砌结构中的钢筋达112GHz,分辨率可达厘米级;和钢架非常明显,同时会对周围介质的反射波产生(3)抗干扰能力强,可在各种噪声环境下工作;很大影响。介质界面发生的反射电磁波的振幅和波(4)检测效率高,RAMAC仪器内置微计算机形变化取决于界面两侧介质介电常数的差异,也就及专用DSP处理器,从数据采集到图像处理实现一是反射系数

5、的大小。体化,可实时输出剖面记录图。

6、R

7、=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)(1)目前地质雷达的应用范围在不断扩大,已经覆式中:R为反射系数,ε1和ε2为反射界面两侧的相〔收稿日期〕2007-12-1863GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.7对介电常数。两侧介质的介电常数差异越大,反射合考虑检测深度和分辨率。系数越大,则反射电磁波强度越大。[4]表1不同检测频率天线的技术参数地质雷达在检测空洞或松动区时,空洞和松动天线配置/MHz检测深度/m检测精度/m区内是空气或松弛破裂岩体,电磁波在其中的传播200≤10±010

8、5波形较为复杂,反射波强度不一。在空洞或松动区100≤40±1100边界两侧,岩体松散程度差异很大,造成较强的电磁50≤100±2100波反射。在空洞或松动区之外岩体比较完整,反射(2)采样率(物理点距):采样率的选择取决于检测信号很弱或没有。这样在地质雷达图像上就会出现对象中目标体的最小尺寸,以便满足检测精度的要求。两种反差较大的反射信号,从而分辨空洞和松动区(3)介电常数和波速标定:检测前应对穿越介的大小和范围,如图2所示。质的介电常数和电磁波速做现场标定。以巷道衬砌为例标定的方法是在已知厚度部位或材料与巷道衬砌相同的其他预制件上测量,然后结合实际厚

9、度尺寸和雷达反射波的双程时间进行计算。计算公式为2v=2d/t(m/ns)εr=(c/v)(4)式中:d是标定目标体的厚度,t是反射波的双程时[3]间图2地质雷达反射信号图,c=013m/ns(4)采样时窗:采样时窗w(单位ns)的选择与最大检测深度dmax(单位m)及介质电磁波传播速度v-1(单位m·ns)有关,必要的采样时窗由下式估算:2dmaxw=(5)v(5)检测方式:地质雷达分点测或连续检测。点测是人为控制物理点检测间隔时间,连续检测方图3地质雷达测试原理图式是程控数据采集间隔时间,此时操作人员只需在电脑控制下等时间等距离地将发射天线和接收天线

10、目标体的位置决定于电磁波在介质中传播的时由一个物理点移动到另一个物理点。间,如图