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摘要：

主要分析研究的是探地雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用，通過闡述探地雷達(dá)技術(shù)的理論基礎(chǔ)、解釋原理及發(fā)展歷程等基本內(nèi)容，結(jié)合采礦工程的實(shí)際要求，探究在采礦工程中探地雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員提供重要的參考資料。

關(guān)鍵詞：

采礦工程；探地雷達(dá)技術(shù)；應(yīng)用

0引言

中國幅員遼闊、地大物博，擁有眾多地下資源，其中豐富的礦產(chǎn)資源一直是中國社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中最為重要的一種資源，是中國實(shí)現(xiàn)長久穩(wěn)定發(fā)展和繁榮富強(qiáng)壯大的基石，因此采礦工程正在中國各地如火如荼地開展建設(shè)當(dāng)中。而其中至關(guān)重要的一項(xiàng)技術(shù)即為探地雷達(dá)技術(shù)，通過使用該項(xiàng)技術(shù)能夠幫助采礦工程更加準(zhǔn)確地了解周邊巖層情況及地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)還能夠有效檢測整體工程質(zhì)量，在此背景之下，研究探地雷達(dá)技術(shù)在在礦工程中的應(yīng)用具有極其重要的研究價(jià)值。

1探地雷達(dá)技術(shù)的簡要概述

1.1發(fā)展歷程

探地雷達(dá)技術(shù)最早誕生于20世紀(jì)初期，由兩位德國籍科學(xué)家Letmbach、Lowy首次提出，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展之后，探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)初具雛形，并且開始應(yīng)用于包括冰層和巖鹽等介質(zhì)當(dāng)中，但此時(shí)該項(xiàng)技術(shù)具有明顯的局限性，即只能運(yùn)用在電磁波吸收非常弱的介質(zhì)當(dāng)中。直到20世紀(jì)70年代中后期，在電子技術(shù)的誕生及迅速發(fā)展之下，探地雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，其實(shí)際應(yīng)用范圍得到空前擴(kuò)大，除了可以運(yùn)用在電磁波吸收弱的介質(zhì)當(dāng)中之外，還可以用于土層、煤層等介質(zhì)中，其實(shí)際運(yùn)用范圍涉及考古、巖石勘探、工程及建筑物內(nèi)部勘探甚至是礦產(chǎn)資源探測當(dāng)中。在20世紀(jì)80、90年代探地雷達(dá)技術(shù)被引入中國以來，經(jīng)過廣大科學(xué)研究工作人員多年的共同努力，探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在采礦工程當(dāng)中并取得了良好的成效。

1.2理論基礎(chǔ)

探地雷達(dá)技術(shù)其實(shí)是一種依靠彈性波傳播理論，是對(duì)于地下介質(zhì)，對(duì)超高頻短脈沖電磁波傳播規(guī)律進(jìn)行深入研究的技術(shù)。這主要是由于位移電流在地質(zhì)介質(zhì)當(dāng)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，而介質(zhì)的介電性質(zhì)幾乎可以直接影響甚至決定頻散較少的高頻寬頻電磁波的傳播速度，而這與彈性波傳播理論具有極高的相似性，二者均嚴(yán)格遵循波動(dòng)方程，只不過在變量方面存在些許不同的物理差異，但電磁波和彈性波之間具有相同的形式，因此結(jié)合合成波的原理可以將脈沖電磁波解構(gòu)成為若干頻率存在差異的正弦電磁波，也就是說正弦波傳播理論及特征是探地雷達(dá)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)[1]。

1.3解釋原理

無論是在哪一種應(yīng)用范圍內(nèi)，使用探地雷達(dá)技術(shù)的根本目標(biāo)就是得到最終的地質(zhì)解釋資料，而這需要建立在拾取反射波的基礎(chǔ)之上。對(duì)電磁波組標(biāo)志進(jìn)行有效識(shí)別則是與波形特征等具有緊密聯(lián)系。在介質(zhì)中進(jìn)行傳播活動(dòng)時(shí)，電磁波組的傳播路徑，包括電磁場的具體強(qiáng)度、波形等將會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)運(yùn)用探地雷達(dá)技術(shù)能夠以剖面圖的形式對(duì)位于反射波組當(dāng)中的同相軸進(jìn)行追蹤和表現(xiàn)，進(jìn)而判斷出地層是否存在斷裂情況，最后依據(jù)真實(shí)可靠的地質(zhì)鉆探資料，明確反射波組當(dāng)中蘊(yùn)含的真實(shí)地質(zhì)含義，形成基于整個(gè)探測區(qū)角度下的成果圖將會(huì)成為采礦工程設(shè)計(jì)的重要參考資料。

2探地雷達(dá)技術(shù)在采礦工程中的具體應(yīng)用

2.1對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行探測

中國在經(jīng)過漫長的研究發(fā)展歷程后，對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論進(jìn)行不斷豐富和完善，并且與探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行充分結(jié)合，最終使得其能夠熟練靈活運(yùn)用在采礦工程尤其是探測巷道圍巖松動(dòng)圈工作當(dāng)中。但值得注意的是，確定巷道圍巖松動(dòng)圈的初始值是完成這一工作的核心與關(guān)鍵，直接決定著對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行探測的成功與失敗。在過去工作人員通常會(huì)選擇使用超聲波探測技術(shù)、鉆粉法、位移計(jì)法等各種方式進(jìn)行探測，但無論是哪一種方法均會(huì)對(duì)巷道圍巖造成不同程度的破壞，無法保證圍巖能夠始終保持其原始狀態(tài)，而這將直接導(dǎo)致探測松動(dòng)圈終值的準(zhǔn)確性、精密性大大降低，甚至最終影響整個(gè)采礦工程的質(zhì)量。而使用探地雷達(dá)技術(shù)之后，通過配置超過200Hz的高頻天線，通常情況下在不超過10m的探測深度范圍內(nèi)可以將精度控制在5cm以內(nèi)，同時(shí)不會(huì)對(duì)巷道圍巖造成任何損壞[2]。比如在采礦工程中，通過應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行直接探測，發(fā)現(xiàn)在大約200m多的圍巖深處中顯示存在一條強(qiáng)烈的反射回波信號(hào)，在對(duì)電磁波組同相軸進(jìn)行追蹤之后發(fā)現(xiàn)存在層狀起伏，表明該界面當(dāng)中電磁波正由弱到強(qiáng)進(jìn)行變化，而到215m范圍內(nèi)的圍巖雷達(dá)波無規(guī)律，能夠清楚地看到有較大裂隙，代表此位置為破碎區(qū)。在此基礎(chǔ)上工作人員能夠明確巷道圍巖松動(dòng)圈厚度，并以此為根據(jù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)巷道支護(hù)。

2.2對(duì)巖石的位置厚度進(jìn)行探測

在計(jì)算礦體儲(chǔ)量及評(píng)估該礦可采程度工作當(dāng)中需要確定煤層當(dāng)中待采礦層厚度及開采放頂煤時(shí)頂煤厚度，與此同時(shí)，需要準(zhǔn)確了解開采空間與如奧灰等重要巖層的相對(duì)位置關(guān)系，這也是保障開采工作能夠順利安全完成的必要條件。在A煤礦當(dāng)中有三個(gè)鉆孔，通過分析可以得知由于受到爆破及巖層自身裂隙發(fā)育等影響，可以從圖1當(dāng)中看出整體的雷達(dá)圖像并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)整性波形，反而給人一種雜亂無章的感覺；另外，探測圖顯示出煤層剖面呈現(xiàn)起伏形態(tài)，并且存在大概11cm～12cm厚的偽頂。偽頂雖然和煤層性質(zhì)近乎一樣，但是其厚度要遠(yuǎn)小于煤層，并且雷達(dá)波不會(huì)顯示出分層現(xiàn)象。而煤層下方是砂巖，工作人員通過探地雷達(dá)技術(shù)探測的采礦區(qū)煤層具體位置及厚度之后，便可以繪制出相應(yīng)的等厚線圖，作為設(shè)計(jì)采礦區(qū)開采的重要指導(dǎo)。

2.3對(duì)地質(zhì)實(shí)際構(gòu)造等進(jìn)行探測

由于真實(shí)的開礦現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)發(fā)生各種各樣的地質(zhì)異常情況，如斷層、礦層沖刷、陷落柱等，假如此時(shí)在確定位置或在搜尋礦體的工作當(dāng)中使用巷探、鉆探等技術(shù)方法，不僅無法有效節(jié)約時(shí)間，節(jié)省人力與物力，甚至有可能影響工作的安全性，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。而使用探地雷達(dá)技術(shù)則能夠有效解決這一問題，一般情況下在不超過100m的范圍內(nèi)，探地雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無損探測，即在探測過程中幾乎不會(huì)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造等造成任何損害，這對(duì)于在探測地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)中可能存在水害等安全隱患時(shí)將有效保障其安全性。在此基礎(chǔ)之上，工作人員除了能夠得到比較理想的探測參數(shù)，還可以以此為依據(jù)參數(shù)對(duì)斷層的位置、走向等進(jìn)行合理推斷，從而進(jìn)一步提升采礦工程的質(zhì)量。

2.4探測采空區(qū)及含水情況

所謂采空區(qū)具體來說指的是在天然的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)或人工挖掘后，地表會(huì)在下面形成或大或小的“空洞”，即人們通常意義上的采空區(qū)。而采空區(qū)對(duì)于采礦工程來說是一個(gè)比較巨大的安全隱患，稍有不慎，采礦所需的機(jī)械設(shè)備甚至是工作人員將極有可能墜落在采空區(qū)當(dāng)中，進(jìn)而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此在采礦工程當(dāng)中應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效探測，避免此類事故的發(fā)生。在A礦區(qū)當(dāng)中由于前人的多次挖采導(dǎo)致在淺部煤層當(dāng)中出現(xiàn)了一個(gè)非常明顯的采空區(qū)。通過圖像顯示，大約在0m～16m的位置處存在明顯異常，而大約在910m深度的位置處還出現(xiàn)不太完整的雙曲線形態(tài)圖，這種波形的出現(xiàn)代表著穹形空洞；而在觸底后波幅逐漸增加，但是很快隨著不斷增加的深度，波幅迅速減小直至消失。因此最終顯示出的成果圖能夠準(zhǔn)確反映出在該采空區(qū)當(dāng)中蘊(yùn)含豐富的水及淤泥等物質(zhì)，并且吸收了大量電磁波能量。

3結(jié)語

通過研究論述可以得知，基于電磁波理論下產(chǎn)生的探地雷達(dá)其實(shí)就是一種將地質(zhì)資料作為重要參考，尤其適合用于弱磁介質(zhì)為主的采礦工程項(xiàng)目中的一項(xiàng)探測技術(shù)。通過運(yùn)用探地雷達(dá)技術(shù)可以在最大程度上保護(hù)圍巖的基礎(chǔ)之上對(duì)其進(jìn)行探測，并保持較高的精準(zhǔn)度；另外還可以在一定范圍內(nèi)有效探測確定礦層的厚度、位置等基本資料，并直接探測出斷層的走向；對(duì)于采空區(qū)中的地下空洞等也可直接進(jìn)行探測，從而真實(shí)了解到實(shí)際含水情況，對(duì)整體的填充質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，以此檢驗(yàn)采礦工程的整體質(zhì)量。鑒于探地雷達(dá)技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢(shì)功能，因此在未來采礦工程當(dāng)中還需要多多運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，并積極進(jìn)行探索研究，以便能夠進(jìn)一步擴(kuò)大探地雷達(dá)技術(shù)的使用范圍。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉傳孝，楊永杰，蔣金泉.探地雷達(dá)技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998(6)：102-104.

［2］劉敦文，黃仁東，徐國元，等.探地雷達(dá)技術(shù)在西部采礦工程中的應(yīng)用及展望研究［J］.金屬礦山，2001(9)：1-4.

作者:楊德 單位:山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰安煤業(yè)有限公司