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地质雷达探测对巷道围岩松动圈的应用探讨

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2017/4/29 7:23:44  

摘要利用地质雷达的探测,对巷道围岩松动圈进行雷达探测。结合工程实践,对新汶矿业集团公司华丰煤矿进行巷道围岩松动的地质雷达探测,提出了地质雷达的探测方法,然后根据实际情况和数据做了图像解释和得出探测结果,为下步矿井开采提供参考资料。

关键词地质雷达;松动圈;探测方法

地质雷达是目前国际上最先进的地球物理勘探手段之一,是一种新型的探测技术。仪器从表面发射高频率的电磁波,利用电磁波在介质内部的表面上反射波来探测裂缝的位置,精度相当高。雷达探测可以适用于不同强度岩石,不用钻孔来去验证围岩的强度,地质雷达探测的分辨率和效率都很高,在实际操作中灵活方便,现场可以得到岩石的裂缝位置图,确定松动圈的范围,为巷道围岩松动圈的探测提供了一种简便易行的技术途径。利用地质雷达探测,可以对松动圈的一些性质有更深刻的了解和对下一步巷道设计、施工、支护都具有十分重要的意义。

1 地质雷达的工作原理

地质雷达具有波的传播特点和规律,利用超高频电磁波探测地下介质的分布,它的原理是:发射机通过发射天线发射高频率的脉冲电磁波讯号. 当雷达波遇到介质介电常数有差别的界面就要反射。地质雷达就是通过发射和接受这种高频率的电磁波,根据电磁波的振幅、波形来分析和推断地下的介质的结构,地层的岩性特征而达到探测要求。

2 地质雷达探测的工作方法

本次探测采用加拿大EKKO100 型地质雷达,以华丰煤矿的具体地质条件为研究背景,共选择具有代表性的巷道20 条进行地质雷达探测,每条巷道又根据具体条件和受采动影响情况探测1~2 个采区,共探测巷道测区30个。

在探测过程中,为了能够探测每个测区不同断面位置岩石松动圈的尺寸大小,对每个探测区,在探测巷道的顶板、底板和两帮分别选择具有代表性的探测点1~3 个。而对于每个探测点要消除井下很多因素带来的影响,尽量准确的测出探测点的松动圈的结果。在实际的操作中,因为井下巷道空间比较小,障碍物比较多的因素,要选择探测断面具有代表性的探测点,要选择普遍代表意义的巷道,在巷道中选择一段巷道一般情况是4m 左右,而不只是像某处巷道的断面如图1 所示,在每一个测点位置沿巷道轴向探测4m,所得的围岩松动圈的平均值作为该探测点的松动圈值。这样就解决了某一点岩石的破碎的状态,在很大程度上解决了实际测量难度。这样在具体分析时,可以把每一段测线上的雷达探测结果的平均值作为该探测点的松动圈尺寸。

3 探测参数选择及计算机数据处理

3.1 探测参数的选择

探测参数一定要选择正确合理,因为它直接关系到测量效果。探测参数主要包括地质雷达天线的中心频率、雷达的发射天线和接受天线的距离、测线位置、测点间距以及时窗等。

3.2 参数设置及数据处理

巷道围岩松动圈探测的目的为巷道围岩破碎区,巷道围岩松动圈的值一般小于5m,因此要求探测的深度比较小,但是要求精度比较高,要选择在雷达天线中心频率为200MHz,时窗开至200ns,这样可以满足探测深度的要求,选择天线间距为0.5m,选择剖面探测方式和64 次叠加方式,这样才能保证测出来的图像才能直观可靠。测点距离选择0.2m,即在每条4m 长的测线上以0.2m 的间距均布测点。

地质雷达数据处理的对象主要是现场采集的原始波形材料,选取各种合理的处理方法以抑制随机和规则的干扰因素,突出利于解释的有用信号,以最大可能高的分辨率在雷达剖面图像上显示反射波,对于合理解释雷达图像和得出可靠的结论非常重要。本次测量结果的数据处理主要是采用自动时变增益以补偿介质吸收和抑制杂波,突出有用信号, 增益倍数根据电磁波吸收情况选择300~800DB;到平均滤波法和时窗选择可以增强反射波同轴的连续性,点平均滤波法可以增强反射波纵向特点。采用5-11 道平均、200ns 时窗并部分辅以5 点平均,可以较为清晰地反映雷达图像的反射波形,便于结果解释。

4 松动圈雷达探测解释和探测结果

4.1 松动圈雷达探测图像解释

采用上述探测参数和数据处理方法对探测结果进行处理后,即可得所有探测巷道及断面的雷达图像。根据巷道围岩松动圈的特征及雷达发射的电磁波在松动圈及弹性区交界面上的反射特征,即可分析得出不同位置处的松动圈及弹性区交界面上的强反射特征,即可分析得出不同位置的松动圈的范围。

在实际的工作中巷道内部可能有开关、绞车、矿车等大型金属设备对相应点的波形有一定影响,图像分析时已经注意到,有些设备干扰已根据井下纪录在分析地质雷达图像上作出相应的标注。而当分析小松动圈雷达图像时,位于同一水平面上的接收天线可以接受到发射源沿直线传播来的表面波,因表面波传播距离较近,又是在空气中传播,传播速度快,当松动圈尺寸较小时,通过松动圈与塑性区交界面反射回来的电磁波往往被表面波覆盖。在天线距离为0.5m 左右时,通过计算,表面波所覆盖的范围一般在0.2~0.4m以内,因此在解释小松动圈雷达图像时,还必须根据表面波影响情况及巷道围岩情况做适当的处理。

由于探测巷道测区较多,本文仅以华丰煤矿2407 东运输石门说明。2407东运输石门的围岩松动圈雷达探测图像及成果解释图见图2。

对巷道松动圈的雷达探测图像如图2 所示,从波的反射情况来看,电磁在衰减的过程中遇到较强的反射界面的时候,反射波幅剧增,然后又迅速地恢复到正常的变化规律。电磁波在破碎的围岩当中的传播特征是很强的反射界面和表面波之间是很凌乱无间距,因此巷道岩石松动圈的边界位置就是这种强的反射界面的位置。将所得围岩松动圈厚度的平均值绘制出松动圈的发育形态如上图,这样就不会一个波定一点的松动圈值了,结果也符合巷道围岩的结构特征和受力情况。探测结果表明2407东运输石门围岩松动圈顶板182cm,底板124cm,东帮162cm,西帮153cm。

4.2 巷道围岩松动圈探测结果

对巷道围岩松动圈的探测结果分析时,对巷道断面中的每一个测点,取该点所在4m 长的松动圈的平均值为松动圈的尺寸,这样就可以确定出每条巷道测点的围岩松动圈值,然后将每一个点的值按照比例标在对应点的位置上,最后用平滑的曲线连接起来,这样就可以清楚直观的看出围岩松动圈的变化情况,同时可以分别计算出巷道顶板、两帮及底帮的松动圈平均值。

5 结论

通过地质雷达探测,对煤矿巷道围岩松动圈的特性了解更加深刻,对矿井巷道的设计、施工、支护都具有十分重要的意义。可见,探测巷道围岩松动圈值可用于巷道围岩稳定性分类,并提出巷道支护方案设计,以指导现场施工,对煤矿的安全生产及长远发展具有重要的现实意义。

参考文献:

[1] 宋劲.地质雷达煤矿井下探测技术的研究[D].重庆煤科院,2005.

[2] 茹瑞典. 地质雷达探测技术的应用研究. 工程地质学报,1996,4(2).

[3] 李大心.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

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