礦井物探礦井探地雷達(dá)

礦井物探礦井探地雷達(dá)第1頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9在隧道開(kāi)挖、煤礦生產(chǎn)及地面工程建設(shè)中經(jīng)常遇到復(fù)雜的地質(zhì)異常，給施工帶來(lái)困難，尤其是穿過(guò)老窯、軟弱破碎帶、巖溶區(qū)，或者煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)區(qū)域，若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤與瓦斯突出等事故，影響安全生產(chǎn)。在地面工程地質(zhì)勘探中，要求實(shí)施大面積、高密度精查勘探，這就對(duì)地質(zhì)探測(cè)手段提出了高的要求。實(shí)踐證明，應(yīng)用礦井地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，簡(jiǎn)便快捷，機(jī)動(dòng)靈活，能較好而準(zhǔn)確地提供資料，取得較好效果。第2頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第3頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第4頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第5頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9探地雷達(dá)（GroundPenetratingRadar）是一種高科技的地球物理探測(cè)儀器，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高速公路，機(jī)場(chǎng)的路面質(zhì)量檢測(cè)；隧道，橋梁，水庫(kù)大壩檢測(cè)；地下管線，地下建筑的檢測(cè)等諸多的工程領(lǐng)域。探地雷達(dá)利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接受來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）、幅度與波形資料，可推斷地下介質(zhì)的分布情況。第6頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9對(duì)地下雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的解釋,離不開(kāi)必要的地質(zhì)理論和地質(zhì)工程知識(shí)，更確切地說(shuō)，探測(cè)地下目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)稱為“地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)”(Geologicradarsystem)。第7頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9一、基本原理地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線(Tx)組成。通過(guò)發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時(shí)接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波，反射波和直達(dá)波同時(shí)被接收機(jī)記錄或在終端將兩種顯示出來(lái)。第8頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第9頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9圖1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

第10頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第11頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時(shí)，可根據(jù)精確測(cè)得的走時(shí)t，由上式求得目標(biāo)體的深度z。式中x值即收發(fā)距，在剖面測(cè)量中是固定的；v值可用寬角法直接測(cè)量，也可以根據(jù)近似計(jì)算公式：c為光速；為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。第12頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9波的雙程走時(shí)由反射脈沖相對(duì)于發(fā)射脈沖的延時(shí)而確定。雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。在波形記錄上，各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。第13頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9由于探地雷達(dá)的電磁波主要是在非理想介質(zhì)中傳播的所以其衰減的速度非?？欤@構(gòu)成了雷達(dá)應(yīng)用的主要障礙，即探測(cè)的深度有限。電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的衰減規(guī)律是：其中為介質(zhì)的吸收系數(shù)，它與介質(zhì)的電性和頻率有關(guān)，根據(jù)計(jì)算可以寫(xiě)為第14頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9趨膚深度第15頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9二、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀第16頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9三、野外工作方法探地雷達(dá)的野外工作，必須根據(jù)探測(cè)對(duì)象的狀況及所處的地質(zhì)環(huán)境并選擇合適的測(cè)量參數(shù)，才能保證雷達(dá)記錄的質(zhì)量。

1）、剖面法2）、多次覆蓋3）、寬角法3.1測(cè)量方式第17頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.91）、剖面法

剖面法是發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式，當(dāng)發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時(shí)稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測(cè)量結(jié)果可以用探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖來(lái)表示。該圖像的橫坐標(biāo)記錄了天線在地表的位置；縱坐標(biāo)為反射波雙程定時(shí)，表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時(shí)間。這種記錄能準(zhǔn)確反映測(cè)線下方地下各反射界面的形態(tài)。

第18頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第19頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第20頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第21頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.92）、多次覆蓋法由于介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收，來(lái)自深部界面的反射波會(huì)由于信噪比過(guò)小而不易識(shí)別。這時(shí)可應(yīng)用不同天線距的發(fā)射—接收天線在同一測(cè)線上進(jìn)行里復(fù)測(cè)量，然后把測(cè)量記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增強(qiáng)對(duì)深部地下介質(zhì)的分辨能力。

第22頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第23頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.93）、寬角法當(dāng)一個(gè)天線固定在地面某一點(diǎn)上不動(dòng)，而另一個(gè)天線沿測(cè)線移動(dòng)，記錄地下各個(gè)不同界面反射波的雙程走時(shí)，這種測(cè)量方式稱為寬角法。

這種測(cè)量方式的目的是求取地下介質(zhì)的電磁波傳播速度。

第24頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第25頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.93.2探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)第26頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數(shù)(包括電磁波速度，振幅和波形等)來(lái)幫助解釋。探地雷達(dá)與反射地震都依靠脈沖回波信號(hào)，其子波長(zhǎng)度都由發(fā)射源控制。脈沖在地下傳播過(guò)程中，能量均會(huì)產(chǎn)生球面衰減，也會(huì)由于介質(zhì)對(duì)波的能量的吸收而減弱，在地下介質(zhì)不均時(shí)還會(huì)發(fā)生散射、反射與透射。因此數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類似于反射地震數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術(shù)通過(guò)某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料的處理。四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋第27頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第28頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.1數(shù)字濾波礦井地質(zhì)雷達(dá)在測(cè)量過(guò)程中，為了保留盡可能多的信息，常采用全通的記錄方式，這樣有效波的干擾就被同時(shí)記錄下來(lái)，為了去除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，需要采用數(shù)字濾波的方法。數(shù)字濾波就是根據(jù)數(shù)據(jù)中有效信號(hào)和干擾信號(hào)頻譜范圍的不同來(lái)消除干擾波。如果有效信號(hào)的頻譜分布與干擾信號(hào)的頻譜有一個(gè)比較明顯的分界，那么可根據(jù)具體的干擾信號(hào)的分布，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的濾波器，將其濾除，就得到了濾波以后的結(jié)果，根據(jù)干擾信號(hào)的頻譜分布的不同，可以采取低通、高通或帶通的方法。第29頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.1數(shù)字濾波如果噪音的頻譜分布只有高頻成分，那么可采用如下的濾波器將其濾除：式中是高截頻率。1）低通濾波第30頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.1數(shù)字濾波2）高通濾波如果噪音的頻譜分布只有低頻成分，那么可采用如下的濾波器將其濾除：式中是低截頻率。第31頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.1數(shù)字濾波3）帶通濾波如果噪音的頻譜分布既有低頻成分又有高頻成分，那么可采用如下的濾波器將其濾除：第32頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9內(nèi)容回顧一、基本原理

二、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀三野外工作方法1、剖面法2、多次覆蓋3、寬角法第33頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋4.1、數(shù)字濾波1）低通濾波2）高通濾波3）帶通濾波4.2資料的偏移處理第34頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.2雷達(dá)資料的偏移處理探地雷達(dá)與反射地震方法一樣都是接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。偏離測(cè)點(diǎn)的地下介質(zhì)交界面的反射點(diǎn)，只要其法平面通過(guò)測(cè)點(diǎn)，都可以被記錄下來(lái)。在資料處理中需把雷達(dá)記錄中的每個(gè)反射點(diǎn)移到其原來(lái)的位置，這種處理方法稱為偏移歸位處理，經(jīng)過(guò)偏移處理的雷達(dá)剖面可反映地下介質(zhì)的真實(shí)位置。第35頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.985cm雷達(dá)天線測(cè)線10cmm5cm有機(jī)玻璃30cm檔板塑料進(jìn)出水管口4.2雷達(dá)資料的偏移處理第36頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.2雷達(dá)資料的偏移處理原始數(shù)據(jù)雷達(dá)剖面圖偏移后的雷達(dá)剖面圖第37頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.3雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理4.3雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理第38頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.94.4雷達(dá)資料的解釋4.4雷達(dá)資料的解釋第39頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9五、探地雷達(dá)的應(yīng)用80年代以來(lái)。由于電子技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展、使探地雷達(dá)的分辨率與探測(cè)深度大大提高、探地雷達(dá)已在工程地質(zhì)勘察、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測(cè)、考古調(diào)查、管線探測(cè)、公路工程質(zhì)量檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

施工準(zhǔn)備工作第40頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.95.1、探測(cè)回采工作面已知斷層的尖滅點(diǎn)第41頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.95.2、探測(cè)石灰?guī)r含水層第42頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.95.3、巷道圍巖松動(dòng)圈探測(cè)第43頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.95.4、巷道冒落影響范圍探測(cè)第44頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.95.5、襯砌質(zhì)量檢測(cè)第45頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9第46頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9襯砌厚度評(píng)價(jià)，首先在探地雷達(dá)剖面上確認(rèn)出混凝土與巖石界面問(wèn)的反射波同相軸，讀取反射波雙程旅行時(shí)間，按公式H—V×t／2計(jì)算出混凝土襯砌厚度。速度V可通過(guò)明洞地段標(biāo)定；密實(shí)度的評(píng)價(jià)可根據(jù)探地雷達(dá)剖面反射波振幅、相位和頻率特征劃分為密實(shí)和不密實(shí)兩種類型，不密實(shí)的混凝土體在雷達(dá)剖面上波形雜亂，同相軸錯(cuò)斷；脫空體在雷達(dá)剖面上在混凝土與圍巖交接面處反射波同相軸呈弧形，與相鄰道之間發(fā)生錯(cuò)位，依此特征可計(jì)算出空洞的范圍。由于爆破使圍巖表面凹凸不平，因此，在確定脫空時(shí)應(yīng)對(duì)剖面上的異常加以細(xì)致的分析和確認(rèn)。襯砌檢測(cè)第47頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9六探地雷達(dá)在工程檢測(cè)中的應(yīng)用第48頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9吉林省長(zhǎng)春——四平高速公路采用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設(shè)完成，設(shè)計(jì)路面厚度為25cm。在工程竣工前采用探地雷達(dá)進(jìn)行了路面厚度檢測(cè)。檢測(cè)中使用的探地雷達(dá)為SIR-2型，工作天線頻率為900MHz。下圖為該公路某段路面的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖，圖中的強(qiáng)反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據(jù)反射界面的雙程走時(shí)和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計(jì)算出路面厚度。瀝青路面的速度采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到。檢測(cè)結(jié)果表明，由于二灰石墊層凸凹不平，導(dǎo)致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26cm，最厚為43cm。路面厚度指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。高速公路檢測(cè)第49頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9高速公路檢測(cè)第50頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9鐵路路基第51頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9探地雷達(dá)方法在公路質(zhì)量檢測(cè)中除了可進(jìn)行路面厚度檢測(cè)外，還可進(jìn)行路基隱患(脫空、裂縫等)的檢測(cè)以及橋涵的質(zhì)量檢測(cè)。有些學(xué)者研究電磁波的特征與路面壓實(shí)度、強(qiáng)度及含水量的關(guān)系，進(jìn)行探地雷達(dá)對(duì)公路壓實(shí)度、強(qiáng)度及含水量的檢測(cè)研究，也取得了較好的檢測(cè)效果。高速公路檢測(cè)第52頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2007.9蟻巢、洞穴的探測(cè)土體堤壩中因碾壓不實(shí)、庫(kù)水浸透或動(dòng)物危害等因素，在壩體中常出現(xiàn)土洞、動(dòng)物巢穴等危害壩體安全的隱患。例如在我國(guó)南方各省(區(qū))水利工程中白蟻巢穴就是一種常見(jiàn)的隱患，白蟻主巢直徑一般在40～