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采矿工程中探地雷达技术探析

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摘要:

主要分析研究的是探地雷达技术及其应用,通过阐述探地雷达技术的理论基础、解释原理及发展历程等基本内容,结合采矿工程的实际要求,探究在采矿工程中探地雷达技术的实际应用,以期能够为相关研究人员提供重要的参考资料。

键词:

采矿工程;探地雷达技术;应用

0引言

中国幅员辽阔、地大物博,拥有众多地下资源,其中丰富的矿产资源一直是中国社会发展和经济建设中最为重要的一种资源,是中国实现长久稳定发展和繁荣富强壮大的基石,因此采矿工程正在中国各地如火如荼地开展建设当中。而其中至关重要的一项技术即为探地雷达技术,通过使用该项技术能够帮助采矿工程更加准确地了解周边岩层情况及地质环境,同时还能够有效检测整体工程质量,在此背景之下,研究探地雷达技术在在矿工程中的应用具有极其重要的研究价值。

1探地雷达技术的简要概述

1.1发展历程

探地雷达技术最早诞生于20世纪初期,由两位德国籍科学家Letmbach、Lowy首次提出,经过半个多世纪的发展之后,探地雷达技术已经初具雏形,并且开始应用于包括冰层和岩盐等介质当中,但此时该项技术具有明显的局限性,即只能运用在电磁波吸收非常弱的介质当中。直到20世纪70年代中后期,在电子技术的诞生及迅速发展之下,探地雷达技术与现代化的数据处理技术相结合,其实际应用范围得到空前扩大,除了可以运用在电磁波吸收弱的介质当中之外,还可以用于土层、煤层等介质中,其实际运用范围涉及考古、岩石勘探、工程及建筑物内部勘探甚至是矿产资源探测当中。在20世纪80、90年代探地雷达技术被引入中国以来,经过广大科学研究工作人员多年的共同努力,探地雷达技术已经被广泛运用在采矿工程当中并取得了良好的成效。

1.2理论基础

探地雷达技术其实是一种依靠弹性波传播理论,是对于地下介质,对超高频短脉冲电磁波传播规律进行深入研究的技术。这主要是由于位移电流在地质介质当中占据着至关重要的地位,而介质的介电性质几乎可以直接影响甚至决定频散较少的高频宽频电磁波的传播速度,而这与弹性波传播理论具有极高的相似性,二者均严格遵循波动方程,只不过在变量方面存在些许不同的物理差异,但电磁波和弹性波之间具有相同的形式,因此结合合成波的原理可以将脉冲电磁波解构成为若干频率存在差异的正弦电磁波,也就是说正弦波传播理论及特征是探地雷达技术的重要理论基础[1]。

1.3解释原理

无论是在哪一种应用范围内,使用探地雷达技术的根本目标就是得到最终的地质解释资料,而这需要建立在拾取反射波的基础之上。对电磁波组标志进行有效识别则是与波形特征等具有紧密联系。在介质中进行传播活动时,电磁波组的传播路径,包括电磁场的具体强度、波形等将会随之发生变化,此时运用探地雷达技术能够以剖面图的形式对位于反射波组当中的同相轴进行追踪和表现,进而判断出地层是否存在断裂情况,最后依据真实可靠的地质钻探资料,明确反射波组当中蕴含的真实地质含义,形成基于整个探测区角度下的成果图将会成为采矿工程设计的重要参考资料。

2探地雷达技术在采矿工程中的具体应用

2.1对巷道围岩松动圈进行探测

中国在经过漫长的研究发展历程后,对巷道围岩松动圈支护理论进行不断丰富和完善,并且与探地雷达技术进行充分结合,最终使得其能够熟练灵活运用在采矿工程尤其是探测巷道围岩松动圈工作当中。但值得注意的是,确定巷道围岩松动圈的初始值是完成这一工作的核心与关键,直接决定着对巷道围岩松动圈进行探测的成功与失败。在过去工作人员通常会选择使用超声波探测技术、钻粉法、位移计法等各种方式进行探测,但无论是哪一种方法均会对巷道围岩造成不同程度的破坏,无法保证围岩能够始终保持其原始状态,而这将直接导致探测松动圈终值的准确性、精密性大大降低,甚至最终影响整个采矿工程的质量。而使用探地雷达技术之后,通过配置超过200Hz的高频天线,通常情况下在不超过10m的探测深度范围内可以将精度控制在5cm以内,同时不会对巷道围岩造成任何损坏[2]。比如在采矿工程中,通过应用探地雷达技术进行直接探测,发现在大约200m多的围岩深处中显示存在一条强烈的反射回波信号,在对电磁波组同相轴进行追踪之后发现存在层状起伏,表明该界面当中电磁波正由弱到强进行变化,而到215m范围内的围岩雷达波无规律,能够清楚地看到有较大裂隙,代表此位置为破碎区。在此基础上工作人员能够明确巷道围岩松动圈厚度,并以此为根据指导设计巷道支护。

2.2对岩石的位置厚度进行探测

在计算矿体储量及评估该矿可采程度工作当中需要确定煤层当中待采矿层厚度及开采放顶煤时顶煤厚度,与此同时,需要准确了解开采空间与如奥灰等重要岩层的相对位置关系,这也是保障开采工作能够顺利安全完成的必要条件。在A煤矿当中有三个钻孔,通过分析可以得知由于受到爆破及岩层自身裂隙发育等影响,可以从图1当中看出整体的雷达图像并未呈现出明显的规整性波形,反而给人一种杂乱无章的感觉;另外,探测图显示出煤层剖面呈现起伏形态,并且存在大概11cm~12cm厚的伪顶。伪顶虽然和煤层性质近乎一样,但是其厚度要远小于煤层,并且雷达波不会显示出分层现象。而煤层下方是砂岩,工作人员通过探地雷达技术探测的采矿区煤层具体位置及厚度之后,便可以绘制出相应的等厚线图,作为设计采矿区开采的重要指导。

2.3对地质实际构造等进行探测

由于真实的开矿现场环境复杂,经常会发生各种各样的地质异常情况,如断层、矿层冲刷、陷落柱等,假如此时在确定位置或在搜寻矿体的工作当中使用巷探、钻探等技术方法,不仅无法有效节约时间,节省人力与物力,甚至有可能影响工作的安全性,造成不必要的经济损失和资源浪费。而使用探地雷达技术则能够有效解决这一问题,一般情况下在不超过100m的范围内,探地雷达技术可以实现无损探测,即在探测过程中几乎不会对地质构造等造成任何损害,这对于在探测地质构造当中可能存在水害等安全隐患时将有效保障其安全性。在此基础之上,工作人员除了能够得到比较理想的探测参数,还可以以此为依据参数对断层的位置、走向等进行合理推断,从而进一步提升采矿工程的质量。

2.4探测采空区及含水情况

所谓采空区具体来说指的是在天然的地质运动或人工挖掘后,地表会在下面形成或大或小的“空洞”,即人们通常意义上的采空区。而采空区对于采矿工程来说是一个比较巨大的安全隐患,稍有不慎,采矿所需的机械设备甚至是工作人员将极有可能坠落在采空区当中,进而造成严重的经济损失和人员伤亡。因此在采矿工程当中应用探地雷达技术可以对采空区进行有效探测,避免此类事故的发生。在A矿区当中由于前人的多次挖采导致在浅部煤层当中出现了一个非常明显的采空区。通过图像显示,大约在0m~16m的位置处存在明显异常,而大约在910m深度的位置处还出现不太完整的双曲线形态图,这种波形的出现代表着穹形空洞;而在触底后波幅逐渐增加,但是很快随着不断增加的深度,波幅迅速减小直至消失。因此最终显示出的成果图能够准确反映出在该采空区当中蕴含丰富的水及淤泥等物质,并且吸收了大量电磁波能量。

3结语

通过研究论述可以得知,基于电磁波理论下产生的探地雷达其实就是一种将地质资料作为重要参考,尤其适合用于弱磁介质为主的采矿工程项目中的一项探测技术。通过运用探地雷达技术可以在最大程度上保护围岩的基础之上对其进行探测,并保持较高的精准度;另外还可以在一定范围内有效探测确定矿层的厚度、位置等基本资料,并直接探测出断层的走向;对于采空区中的地下空洞等也可直接进行探测,从而真实了解到实际含水情况,对整体的填充质量进行科学评估,以此检验采矿工程的整体质量。鉴于探地雷达技术拥有众多优势功能,因此在未来采矿工程当中还需要多多运用该项技术,并积极进行探索研究,以便能够进一步扩大探地雷达技术的使用范围。

参考文献:

[1]刘传孝,杨永杰,蒋金泉.探地雷达技术在采矿工程中的应用[J].岩土工程学报,1998(6):102-104.

[2]刘敦文,黄仁东,徐国元,等.探地雷达技术在西部采矿工程中的应用及展望研究[J].金属矿山,2001(9):1-4.

作者:杨德 单位:山西煤炭运销集团泰安煤业有限公司

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