地质雷达在煤矿超前地质预报中的应用研究

【摘 要】通过对地质雷达探测原理的深入理解，结合地质雷达在矿井超前地质预报中的经验，总结了断层破碎带，富水带，节理裂隙密集带等不良地质现象在地质雷达波形上的响应特征，并进一步分析了地质雷达低频的原因，从而为以后地质雷达超前地质预报提供参考经验，提高预报的准确性。

【关键词】地质雷达；断层破碎带；响应特征；低频

引言

地质雷达用于矿井超前地质预报的特点是探测距离短、探测精度高且成果可靠[1]。对于如何根据地质雷达的波形和频谱特征判断围岩质量及各种不良地质现象，前人在使用地质雷达进行超前地质预报时取得了很多宝贵的经验[2-3]。但由于各地下工程的地质条件千变万化，根据地质雷达的波形和频谱特征判断围岩质量及不良地质现象既有共性，也有特性，因此超前预报既要参考前人经验，又要根据各矿井的具体地质条件在每一个工区进行详细的总结，才能提高超前预报的质量。

根据地质雷达在矿井地质预报中的经验，将各种常见的不良地质现象如断层破碎带、富水带、岩溶带等在地质雷达上的响应特征进行总结，从而为以后类似不良地质现象的预报提供参考依据，从而提高超前地质预报的准确率。

1 地质雷达的基本原理

电磁波在介质中传播时，当遇到电磁差异界面时，将依据电磁波的反射和透射定理产生反射和透射电磁波。反射波的强度及透射波的强度大小取决于反射系数（见式1）及透射系数（见式2）。

反射系数：

透射系数：

式中：ε1，ε2分别为上下层电磁波传播介质的介电常数。

由上式可以看出，电磁波反射系数的大小主要是由界面两侧的相对介电常数决定的，界面两侧介电常数差异越大，反射越强烈，越有利于探测到异常界面的存在。这是地质雷达探测的地球物理基础。

2 不良地质现象在地质雷达上的响应特征

2.1 断层破碎带

断层破碎带是煤矿常见的一种不良地质现象，以其松散、破碎、含水量多会对煤矿掘进与开采施工产生影响，因此对其进行准确预报，提前采取预防措施具有重要意义。

刘基[4]，肖宏越[5]等总结的成果表明断层破碎带的雷达波形错段、分叉、合并等现象多，波形连续性差、电磁波能量衰减快、波幅变化大，波形杂乱；雷达波在穿越破碎带的过程中，有时出现低频化现象，电磁波能量衰减快且规律性差，特别是高频成分衰减很快，自动增益梯度较大。

通过某断层破碎带8条测线的探测结果分析表明，会出现两种情况，一是信号频谱正常，整个探测深度内都有波形，但波形连续性差，波形错断、分叉、合并等现象较多，波幅变化大，波形杂乱，典型见图2-1。

另一种情况是信号低频，仅浅部有信号且波形较杂乱，深部信号微弱或基本没有。

通过前人总结及实地探测的成果表明，当探测到以上波形现象时，应注意是否存在破碎带的可能，及时提出预警。

图2-1 断层破碎带波形

2.2 富水带

富水带在地质雷达波形图上的特征是波形反射强烈，波幅宽大，波形连续性较好，呈黑条带状；其相位显示为负相，频谱图一般会显示低频。出现此现象的主要原因是水充满节理裂隙而使反射面连续性较好、水的介电常数与岩石的介电常数差异大且电磁波在穿越水时高频成分衰减很快，因此显示出以上波形特征。以下图片是某富水段探测的结果，频谱见图2-2。

图2-2 富水带频谱

2.3 节理裂隙密集带

节理裂隙密集带的主要裂隙面由于其产状均大致相同，因而在地质雷达上的响应是波形图上的一系列连续性较好的大致平行的同相轴，总体上看波形相对较平整，与富水带的差别是反射没有富水带的长同相轴反射强烈，还有就是其频谱图上不会显示低频。

2.4 围岩强风化带

一般围岩强风化带普遍被认为是均匀性较差，在地质雷达上的响应应该是波幅变化大，波形连续性差，波形杂乱。出现以上现象的原因主要是因为强风化的云母石英片岩结构面空隙均被泥质充填，结构面两侧的岩体均向内部发生不同程度的风化，导致围岩的介电常数是逐渐变化的，不存在突变，因而不存在强反射面且同相轴振幅小，此外由于围岩本身破碎，又被风化均一，因此横向、纵向均不存在介电常数突变的强反射界面，故振幅变化都较均匀。

3 讨论与分析

已有的研究成果表明，地质雷达电磁波在遇到岩石破碎或岩石大量富水时，会产生低频现象。从图2-1的波形图和图2-2的频谱图可看出，在前方围岩中富含大量的水时，电磁波信号的振幅会比较宽大，同时电磁波的频谱呈现低频的特征（100MHZ的地质雷达天线的主频为75-110MHZ之间）。

出现此种现象的主要原因，笔者认为结合探测介质的特性（破碎和富水）和电磁波的传播及衰减特征，可以对该现象做出以下解释：电磁波在穿过此类介质（破碎和富水）时，高频率的波衰减快，低频率的波衰减慢，且频率越高的波衰减越快，因此反射回来被仪器接收到的电磁波高频成分相对减弱，低频成分相对增强了，且越深处反射回来的电磁波低频成分相对越显著。而由波的频率和波长的关系可知，频率越低的电磁波信号，波长越大。因此，在高频信号衰减快的情况下，最终仪器接收到的电磁波信号就综合表现为低频和振幅宽大的现象了。

4 结论

（1）通过实践经验的积累，结合前人已有成果，总结了各种不良地质现象如断层破碎带、岩溶带等在地质雷达波形上的响应特征。

（2）地质雷达电磁波信号的低频现象主要是由于在破碎富水介质中传播时，高频信号衰减快，低频信号衰减慢造成，最终使信号表现为低频和振幅宽大的特征。

参考文献：

[1]杨峰，彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社，2010.

[2]李建军，王连成，钟鸣等.地质雷达用于公路隧道围岩级别预报划分探讨[J].山东大学学报（工学版），2009（S2）.

[3]姜汶泉，刘亚玲，汪林平.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].地下空间与工程学报，2008（4）.

作者简介：

高川（1987-），男，学士，助理工程师，毕业于安徽理工大学地质工程专业，现在皖北煤电集团公司钱营孜煤矿从事矿井地质及水文地质技术工作。