礦井物探礦井探地雷達

礦井物探礦井探地雷達第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9在隧道開挖、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，給施工帶來困難，尤其是穿過老窯、軟弱破碎帶、巖溶區(qū)，或者煤與瓦斯突出的危險區(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，要求實施大面積、高密度精查勘探，這就對地質(zhì)探測手段提出了高的要求。實踐證明，應(yīng)用礦井地質(zhì)雷達進行探測，簡便快捷，機動靈活，能較好而準(zhǔn)確地提供資料，取得較好效果。第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9探地雷達（GroundPenetratingRadar）是一種高科技的地球物理探測儀器，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高速公路，機場的路面質(zhì)量檢測；隧道，橋梁，水庫大壩檢測；地下管線，地下建筑的檢測等諸多的工程領(lǐng)域。探地雷達利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接受來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質(zhì)的分布情況。第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9對地下雷達探測目標(biāo)的解釋,離不開必要的地質(zhì)理論和地質(zhì)工程知識，更確切地說，探測地下目標(biāo)的雷達系統(tǒng)應(yīng)稱為“地質(zhì)雷達系統(tǒng)”(Geologicradarsystem)。第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9一、基本原理地質(zhì)雷達由發(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)射機和向外輻射電磁波的天線(Tx)組成。通過發(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，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或在終端將兩種顯示出來。第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9圖1地質(zhì)雷達探測原理示意圖

第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第11頁，共66頁，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，可根據(jù)精確測得的走時t，由上式求得目標(biāo)體的深度z。式中x值即收發(fā)距，在剖面測量中是固定的；v值可用寬角法直接測量，也可以根據(jù)近似計算公式：c為光速；為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時而確定。雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負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，各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面。第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9由于探地雷達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?？?，這構(gòu)成了雷達應(yīng)用的主要障礙，即探測的深度有限。電磁波的電場強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)計算可以寫為第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9趨膚深度第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9二、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9三、野外工作方法探地雷達的野外工作，必須根據(jù)探測對象的狀況及所處的地質(zhì)環(huán)境并選擇合適的測量參數(shù)，才能保證雷達記錄的質(zhì)量。

1）、剖面法2）、多次覆蓋3）、寬角法3.1測量方式第17頁，共66頁，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)以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式，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稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結(jié)果可以用探地雷達時間剖面圖來表示。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，表示雷達脈沖從發(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間。這種記錄能準(zhǔn)確反映測線下方地下各反射界面的形態(tài)。

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

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

這種測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，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.93.2探地雷達的技術(shù)參數(shù)第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9探地雷達數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達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)來幫助解釋。探地雷達與反射地震都依靠脈沖回波信號，其子波長度都由發(fā)射源控制。脈沖在地下傳播過程中，能量均會產(chǎn)生球面衰減，也會由于介質(zhì)對波的能量的吸收而減弱，在地下介質(zhì)不均時還會發(fā)生散射、反射與透射。因此數(shù)字記錄的探地雷達數(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)通過某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達資料的處理。四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.94.1數(shù)字濾波礦井地質(zhì)雷達在測量過程中，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記錄下來，為了去除數(shù)據(jù)中的干擾信號，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)中有效信號和干擾信號頻譜范圍的不同來消除干擾波。如果有效信號的頻譜分布與干擾信號的頻譜有一個比較明顯的分界，那么可根據(jù)具體的干擾信號的分布，設(shè)計一個合理的濾波器，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，共66頁，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，共66頁，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，共66頁，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，共66頁，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，共66頁，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，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.94.2雷達資料的偏移處理探地雷達與反射地震方法一樣都是接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。偏離測點的地下介質(zhì)交界面的反射點，只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。在資料處理中需把雷達記錄中的每個反射點移到其原來的位置，這種處理方法稱為偏移歸位處理，經(jīng)過偏移處理的雷達剖面可反映地下介質(zhì)的真實位置。第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.985cm雷達天線測線10cmm5cm有機玻璃30cm檔板塑料進出水管口4.2雷達資料的偏移處理第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.94.2雷達資料的偏移處理原始數(shù)據(jù)雷達剖面圖偏移后的雷達剖面圖第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.94.3雷達圖像的增強處理4.3雷達圖像的增強處理第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.94.4雷達資料的解釋4.4雷達資料的解釋第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9五、探地雷達的應(yīng)用80年代以來。由于電子技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展、使探地雷達的分辨率與探測深度大大提高、探地雷達已在工程地質(zhì)勘察、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測、考古調(diào)查、管線探測、公路工程質(zhì)量檢測等多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

施工準(zhǔn)備工作第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.95.1、探測回采工作面已知斷層的尖滅點第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.95.2、探測石灰?guī)r含水層第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.95.3、巷道圍巖松動圈探測第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.95.4、巷道冒落影響范圍探測第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.95.5、襯砌質(zhì)量檢測第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9襯砌厚度評價，首先在探地雷達剖面上確認出混凝土與巖石界面問的反射波同相軸，讀取反射波雙程旅行時間，按公式H—V×t／2計算出混凝土襯砌厚度。速度V可通過明洞地段標(biāo)定；密實度的評價可根據(jù)探地雷達剖面反射波振幅、相位和頻率特征劃分為密實和不密實兩種類型，不密實的混凝土體在雷達剖面上波形雜亂，同相軸錯斷；脫空體在雷達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)生錯位，依此特征可計算出空洞的范圍。由于爆破使圍巖表面凹凸不平，因此，在確定脫空時應(yīng)對剖面上的異常加以細致的分析和確認。襯砌檢測第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9六探地雷達在工程檢測中的應(yīng)用第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9吉林省長春——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)計路面厚度為25cm。在工程竣工前采用探地雷達進行了路面厚度檢測。檢測中使用的探地雷達為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檢測剖面圖，圖中的強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和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的速度采用實驗標(biāo)定并進行統(tǒng)計后得到。檢測結(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)達到了設(shè)計要求。高速公路檢測第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9高速公路檢測第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9鐵路路基第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9探地雷達方法在公路質(zhì)量檢測中除了可進行路面厚度檢測外，還可進行路基隱患(脫空、裂縫等)的檢測以及橋涵的質(zhì)量檢測。有些學(xué)者研究電磁波的特征與路面壓實度、強度及含水量的關(guān)系，進行探地雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究，也取得了較好的檢測效果。高速公路檢測第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2007.9蟻巢、洞穴的探測土體堤壩中因碾壓不實、庫水浸透或動物危害等因素，在壩體中常出現(xiàn)土洞、動物巢穴等危害壩體安全的隱患。例如在我國南方各省(區(qū))水利工程中白蟻巢穴就是一種常見的隱患，白蟻主巢直徑一般在40～