采空区充填物探地雷达识别技术研究及应用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.00M 第27卷第1期 北京科技大学学报 VoL27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 采空区充填物探地雷达识别技术研究及应用 刘敦文古德生徐国元黄仁东 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 摘要设计了一个由混凝土、矿粉和尾砂等材料制成的带空洞的实验模型.在模型的预留 空洞中，分别充填水、砂、泥和空气进行了模拟实验，研究不同充填介质在探地雷达探测图像 中表现出的特征及差异，进而辨别不同充填介质。论述了采空区探地雷达探测原理与方法， 并通过在甘肃厂坝铅锌矿进行现场试验，分析、识别了采空区内充填物类型及状态.实践表 明，应用探地雷达技术，可以高效、准确地探测采空区及其充填情况， 关键词采空区：充填物：探地雷达：识别：探测 分类号TD853.391 探地雷达作为一种高分辨探测技术，可以对 填介质在探地雷达探测图像中表现出的特征及 深浅地质问题进行详细填图和对地下目标体进 差异，进而辨别不同充填介质.并将实验结果应 行无损探测等，目前已应用到各行各业中，在矿 用于地下金属矿采空区探测之中， 山工程中，探地雷达可用于探测采空区，、地下 水防突层厚度、渗水裂隙问、破碎带、断层刀、溶 1探地雷达测试原理1 洞、瓦斯突出例、巷道围岩松动圈以及采场充 电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强 填体缺陷向等等.有关其工程应用方面的报道很 度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态 多，但报道其实验研究方面的文献却较少.Peden 而变化.探地雷达正是根据电磁波在介质中传播 等人，构建了一个研究探地雷达在低耗介质中散 的这个特征来工作的.探地雷达可根据电磁波的 射特性的实验模型，通过对多次测试结果分析， 变化差异，反映出被探测介质体的赋存形态、尺 探讨了雷达波的散射特性.Jiao等人通过三个 寸大小以及各介质体间的界面.另外，电磁波在 实验证明，从理论上可推导出线形偶极子天线 不同介质中传播的速度存在差异，不同介质对电 发射的电磁波在半无限空间非磁介质中传播方 磁波的吸收和反射能力也有差异，针对不同介质 程.Deng等人通过室内实验，研究了雷达波在 在探地雷达中呈现不同图像这一特征，通过室内 分层有耗介质中传播规律，得出频率在1GHz之 模拟实验研究，可以揭示模型空区内不同充填介 间的雷达波在有耗介质中的传导率最大不超过 质对其雷达图像影响规律， 30mS/m.Berabinin等人通过一个室外实验，研 数据处理后所得的探地雷达图像剖面中，根 究了探地雷达天线特性与雷达波传播之间的关 据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追 系".Robert等人则通过在实验室内对混凝土模 踪，确定反射波组的含义，当介质中有空区（洞） 型空洞内充填水或空气进行实验，研究了不同充 时，介质与空区（洞）的界面两侧电性差异较大， 填介质在探地雷达图像中显现特征，并将实验结 容易形成强烈的反射波，同时，在这一界面处常 果应用于隧道质量检测与病害诊断之中. 常产生绕射波，而绕射波在时间剖面上为双曲线 笔者通过设计一个由混凝土、矿粉和尾砂等 反映.因此通过时间剖面上的特征图像就能确定 材料制成的带空洞的实验模型，在空洞内分别充 空区（洞）的位置及深度， 填水、砂、泥和空气进行模拟实验，研究了不同充 探地雷达探测是一种高频电磁波勘探方法， 收稿日期：200402-16修回日期：200405-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目No.502044012) 雷达电磁波可近似为均匀平面电磁波.介质中传 作者简介：刘敦文(1972一)，男，副教授，博士 播时，它的电场分量瞬时波动方程为：

第 2 7 卷 第 1 期 20 05 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n 扮e sr iyt o f S e ie n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij in g V b l . 2 7 N O . l F e b . 2 0 0 5 采空 区充填物探地雷达识别技术研究及应用 刘 敦文 古 德 生 徐 国元 黄仁 东 中 南大学 资源 与安 全工程 学 院 , 长 沙 4 10 0 83 摘 要 设 计 了一个 由混 凝 土 、 矿 粉和 尾砂 等材 料制 成 的带 空洞 的实验 模 型 . 在模 型 的预 留 空洞 中 , 分别 充填水 、 砂 、 泥 和 空气进 行 了模拟 实验 , 研 究不 同充 填介质 在探 地雷 达探 测 图像 中表 现 出 的特 征 及差 异 , 进 而辨 别 不 同充 填介 质 . 论述 了采 空区 探 地雷 达探 测 原理 与方法 , 并通 过在 甘 肃厂坝 铅锌 矿进 行现 场 试验 , 分 析 、 识 别 了采 空区 内充 填物类 型 及状态 . 实践表 明 , 应 用 探地 雷达 技术 , 可 以高效 、 准确 地 探测 采空 区及 其 充填情 况 . 关键 词 采 空 区 ; 充填 物 ; 探 地雷 达 ; 识 别 : 探测 分 类号 T D 8 5 3 . 3 9 1 探地 雷达 作 为 一种 高分 辨探 测 技 术 , 可 以对 深 浅 地质 问题 进 行 详 细填 图和 对 地 下 目标 体 进 行 无损 探 测等 , 目前 已 应用 到各 行各 业 中 . 在 矿 山工程 中 , 探地 雷 达可 用 于探 测 采 空 区【-l31 、 地 下 水 防突层 厚度 , , 、 渗 水裂 隙侈, 、 破 碎 带侈, 、 断层 le,v] 、 溶 洞 ` s] 、 瓦 斯 突 出 , , 、 巷道 围岩松 动 圈 L10] 以及 采场 充 填 体缺 陷 l6] 等 等 . 有 关其 工程 应 用 方面 的报道 很 多 , 但 报 道其 实验 研究 方面 的 文献 却较 少 . eP d en 等 人 , 构建 了一 个研 究探 地 雷达 在低 耗 介质 中散 射特 性 的实验 模 型 , 通 过 对 多次 测 试 结果 分 析 , 探 讨 了雷 达波 的散射 特 性 `tz] . iJ ao 等人 通 过三 个 实 验 证 明 , 从 理 论 上 可推 导 出线 形 偶 极 子天 线 发射 的 电磁 波 在 半 无 限空 间非 磁 介质 中传 播 方 程 `13] . D e n g 等人 通 过室 内实验 , 研 究 了雷 达波 在 分 层有 耗 介质 中传播 规 律 , 得 出频 率在 I G F z[ 之 间的 雷达 波 在 有 耗 介质 中 的传 导 率 最 大 不超 过 30 m s m/ `14] . B e r ab i n l n 等 人通 过 一 个 室外 实验 , 研 究 了探地 雷达 天 线 特 性 与 雷达 波 传 播 之 间 的 关 系 〔15] . oR b ert 等人 则 通过 在 实验 室 内对 混 凝 土模 型空洞 内充填 水或 空气 进行 实验 , 研究 了不 同充 填 介质 在探 地 雷达 图像 中显 现特 征 , 并 将 实验 结 果 应用 于 隧 道质 量 检 测与 病 害诊 断 之 中 `间 . 笔 者通 过 设计 一个 由混凝 土 、 矿 粉 和尾 砂 等 材 料制 成 的带 空洞 的实 验模型 , 在 空洞 内分 别 充 填 水 、 砂 、 泥和 空气 进 行模拟实 验 , 研 究 了不 同充 收稿 日期 : 2 0 4刁-2 16 修 回 日期 : 2 0 4 -(] 5佗5 基金 项 目 : 国家 自然科 学基金 资助 项 目困 。 . 502 04 40 12) 作者 简 介 : 刘 敦文 ( 197 2一) , 男 , 副教 授 , 博士 填介 质 在 探 地 雷达 探 测 图像中 表现 出 的特 征及 差异 , 进 而辨 别 不 同充 填介 质 . 并将 实 验 结果应 用 于 地下 金 属矿 采 空 区 探 测 之 中 . 1 探 地 雷 达 测 试原 理 【17 ,18 , 电磁 波在 介 质 中传 播 时 , 其 路径 、 电磁 场 强 度 与波 形 将 随 所 通过 介 质 的 电性 质及 几 何 形 态 而变 化 . 探地 雷达 正 是根 据 电磁波 在介 质 中传播 的这 个特 征 来工 作 的 . 探 地 雷达可 根据 电磁 波 的 变 化 差 异 , 反 映 出被 探 测介 质 体 的赋存 形 态 、 尺 寸大 小 以及 各 介质 体 间 的 界面 . 另外 , 电磁 波在 不 同介质 中传 播 的速 度存 在差 异 , 不 同介 质对 电 磁 波 的吸 收和 反射 能 力也 有差 异 . 针对 不 同介质 在探 地雷 达 中呈现 不 同图像这 一特 征 , 通 过室 内 模拟 实验 研 究 , 可 以揭示 模型 空 区 内不 同充填 介 质对 其 雷 达 图像 影 响规律 . 数据 处 理后 所得 的探地 雷达 图像剖 面 中 , 根 据 反射波 组 的波 形与 强度 特征 , 通 过 同相 轴 的追 踪 , 确 定反 射 波组 的含义 . 当介 质 中有 空 区 ( 洞 ) 时 , 介质与 空 区 ( 洞 ) 的界 面两 侧 电性差 异较 大 , 容 易形 成 强 烈 的反射 波 , 同 时 , 在这 一 界面 处 常 常产 生 绕射 波 , 而绕 射波 在 时 间剖面 上 为双 曲线 反 映 . 因此 通过 时 间剖 面上 的特 征 图像就 能确定 空 区 (洞 ) 的位 置及 深度 . 探地 雷 达探 测 是一 种 高频 电磁 波勘 探 方法 , 雷达 电磁 波 可近似为 均匀 平面 电磁 波 . 介质 中传 播 时 , 它 的 电场 分量 瞬 时 波动 方程 为 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 01. 004

14 北京科技大学学报 2005年第1期 E(Z,t)=Ee-cos(@t-BZ) (1) 1397 式中，E,为z=0,t=0时电磁场强度：a为衰减系 185 数：B为相移系数：Z为传播距离：ω为电磁波的角 二350 频率。 390 色R100 295 208 803 从式(1)中可知，当cos(wt-Z☑=1时，电磁场 强度最大，可求得电磁波波速的表达式为： y=w/B (2) 图1模型结构示意图（单位：mm) r{++ Fig.1 Model structure sketch (in mm) (3) 式中，4为磁导率；e为介电常数：0为电导率， 2.2实验测试仪器 对于混凝土，铅锌矿石和岩石介质，品<1， 实验中，采用RAMAC/GPR探地雷达系统进 行实验测试.该测试系统由主机、1GHz高频天线 4=1,式(2)可简化为： (发射接收天线集成在一起)、计算机、电源、数据 C V=- (4) 电缆、光纤等几部分组成. 式中，C为光波速度，为相对介电常数.铅锌矿 2.3测试方法及其参数设置 石的相对介电常数为410：花岗岩类岩石的相对 测试过程中，在模型的预留空区里分别充填 介电常数为5一7，干混凝土的相对介电常数为 水、空气、泥、砂等四种介质，进行探地雷达探测 6.4,各种介质的相对介电常数均可在有关的资 实验.对每一种充填介质，分别沿测线（图1中带 料中查取，其实际值与含水量有关， 箭头直线标出)测试三次，取效果最好的一次，作 2模拟实验 为探测结果.探地雷达参数：天线频率为1GHz, 样点为480个，采样频率为39239.69MH2,叠 2.1实验模型 加次数为512次，叠加时间为2.45s,起点为-0.15 实验模型结构尺寸如图1所示，该模型由水 μs,时窗为0.01s,触发源为距离轮，间距为 泥、尾砂和粉矿砂浆浇灌而成，水泥、尾砂和粉矿 0.009m. 配比（质量比）为200：200：220（粉矿中Pb的品 2.4实验结果及分析 位为80%，Zn的品位为40%~45%).模型养护15a 实验中共获得了12条探测剖面，其中4条效 进行测试， 果好的雷达图像，如图2所示 (a) b 两个用泥浆充填的空区边界 两个没有充填的空区边界 (c) d 两个用干砂充填的 两个用水充填的 圆柱形空区边界 圆柱形空区边界 图2模型的空区在各种条件下AB测线的探地雷达探测图像(a)没有充填：b)充有泥浆：(C)有水：()有干砂 Fig.2 GRP images of profile AB under the condition of cavities with filling air(a),mud(b),water (c)and dry sand(d)in model

. 1 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 1 期 瓦 Z(, )t = oE e 一“ e o s ( 。 t一刀Z ) ( l ) 式 中 , 0E 为z = 0 , t = 0 时 电磁 场 强度 ; a 为 衰 减 系 数 ; 刀为 相移 系数 ; Z 为传 播距 离 ; 。 为 电磁 波 的角 频 率 . 从式 ( l) 中可知 , 当 co s( 。 卜刀Z ) = 1 时 , 电磁 场 强度 最 大 , 可 求 得 电磁 波波速 的表 达 式 为 : v = 。渭 ( 2 ) 肛 l亘胜丫 总 J{ 1 二f - 互 ~ 1 , 1 ’ 左二 , l ’ 口 方匕 l二子二 I 亏11+ l e 二二一 1 1 + l 卜 ( 3 ) ’I L Z ) [[ ` ’ L脱 ) 」 ’ ` J 式 中 , 产为磁 导 率 ; 。 为介 电常数 ; 0 为 电导 率 . 对 于 混凝 土 、 铅 锌矿 石 和 岩石 介质 , 金 < 1 , 户 = l , 式 ( 2 ) 可 简化 为 : 八— 一一一些丛匕一一一一一一~ 户 A , / 攀 , 月 , 图 1 模 型 结构 示惫 圈 (单位 :二) F哈 1 M o d e l , tr u c tU代 s ke t e 七伽 m ln ) C v 一 不 ~ (4 ) 式 中 , C 为光 波速 度 , sr 为相对 介 电常数 . 铅锌 矿 石 的相对 介 电常 数 为 -4 10 ; 花 岗岩类 岩 石 的相对 介 电常 数 为 5一 7 , 干 混 凝 土 的 相 对 介 电常 数 为 .6 4 , 各 种介 质 的相对 介 电常 数均 可 在 有 关 的资 料 中查 取 , 其 实 际值 与含 水 量 有 关 . 2 模 拟实 验 .2 1 实验 模 型 实 验模型 结 构尺 寸 如 图 1 所 示 . 该模型 由水 泥 、 尾砂 和 粉矿 砂浆 浇灌 而 成 , 水泥 、 尾 砂和 粉矿 配 比 ( 质量 比 ) 为 2 0 0 : 2 0 : 2 2 0( 粉矿 中 bP 的 品 位 为 80 % , zn 的 品位 为 40 % 一45 % ) . 模 型养 护 15 a 进 行测 试 . .2 2 实验测 试 仪器 实验 中 , 采用 R AM A C /G P R 探 地 雷 达 系统 进 行 实验测 试 . 该测试系 统 由主 机 、 I G I] z[ 高 频天 线 ( 发射 接 收 天 线集 成在 一 起 ) 、 计 算机 、 电源 、 数 据 电缆 、 光 纤等 几 部 分组 成 . .2 3 测 试 方 法及 其 参数设 里 测 试 过程 中 , 在 模型 的预 留空 区里 分别 充 填 水 、 空气 、 泥 、 砂等 四种 介质 , 进 行 探 地雷 达 探 测 实验 . 对 每 一 种充 填介 质 , 分别 沿 测线 ( 图 1 中带 箭 头直 线标 出 ) 测 试三 次 , 取 效果 最好 的一 次 , 作 为探测 结 果 . 探地 雷达 参 数 : 天 线频 率 为 1 G Hz , 样 点 为 4 80 个 , 采 样频 率 为 39 2 39 .6 9 M I] z[ , 叠 加 次数 为 5 12 次 , 叠 加 时间为 .2 45 5 , 起 点 为 一 0 . 巧 娜 , 时 窗 为 .0 01 哪 , 触 发源 为 距 离 轮 , 间 距 为 0 . 0 0 9 m . .2 4 实验 结 果 及分 析 实验 中共 获 得 了 12 条探 测剖 面 , 其 中 4 条 效 果好 的雷达 图像 , 如 图 2 所 示 . 图 2 模 型 的空 区在各 种条 件下 A丑 测线 的探 地霄 达探 测 图像 . a( )没有 充填 ; 向充有 泥 桨 : c( )有 水 ; (d) 有 干砂 F 电 · 2 G R P 加 a g e s o f P r o灯I e AB u n d e r t h e co n d i廿o n o f e a村 h es , d ht n l li . g a扮 ( a ) , m u d 伪) , wa et r c() a n d d yr sa n d ( d ) in m od el

Vol.27 No.1 刘敦文等：采空区充填物探地雷达识别技术研究及应用 ·15◆ 根据探地雷达探测理论，模型中空区在雷达 地雷达图像也有些变化.当模型空区中充填介质 图像中显现的图像特征为双曲线.如图2中所 为空气时，空区在探地雷达图像中呈现的曲线很 示，在雷达图像剖面中均己标出了模型中的两个 尖，这是由于模型介质的介电常数与空气的介电 空区的位置，其深度与距测线起点的水平距离， 常数相差很大：当模型空区中充填介质为泥浆 可通过移动软件中双光标标出，图中已标出了右 时，空区在探地雷达图像中呈现的曲线较尖，这 侧的空区位置，即深度245mm,距测线起点距离 是由于模型介质的介电常数与泥浆的介电常数 分别为308,336,308,411mm.各个图中空区距测 相差较大；当模型空区中充填介质为干砂时，空 线起点有些差异，这是由于考虑到距测线起点位 区在探地雷达图像中呈现的曲线变得较小，这是 置对该实验结果没有影响，在测试过程中，每次 由于模型介质的介电常数与干砂的介电常数相 在测线AB上放置雷达天线起始位置时，没有完 差很小；当模型空区中充填介质为水时，空区在 全一致所致. 探地雷达图像中呈现的曲线变得较大，但较宽， 从探地雷达图像中可知，空区深度245mm, 这是由于模型介质的介电常数与水的介电常数 对应的雷达波双程走时为3.838s.通过雷达软 相差较大，以及空区中的水已将空区周围区域浸 件反算，可求得雷达波的平均速率为115.3m/μs. 湿所致. 根据公式(4)可求出模型的相对介电常数.当然， 从表1可以看出，对于同一空区，其充填介质 这样计算得到的模型介质相对介电常数会有些 不同，其图像特征也不一样.对两种不同的充填 误差，但足以满足后面相互比较的精度要求. 介质而言，若其各自与模型本身介质的相对介电 从不同充填介质的探地雷达图像可以看出， 常数之差越接近，其各自之间的图像特征越相 随充填介质与模型介质的相对介电常数变化，探 似；反之，其图像特征差异性越大 表1各探地雷达图像中空区图像特征对比表 Table 1 Correlation table of GPR image feature for cavities 与模型介质的相对 介质 相对介电常数 探地雷达测试图 探地雷达图像中空区图像特征比较 介电常数之差 空气 1 5.77 图2(a) 图2(a)与(b)的空区图像特征极相似，相 泥浆 12 5.23 图2b) 似程度达80%以上 干砂 5 1.77 图2(c) 图2(c)与(d)的空区图像特征相差最大， 水 81 74.23 图2(d) 相异程度达90%以上 3应用实例 测线距离m 0 白银公司厂坝铅锌矿的主矿体由于屡遭群 采破坏，留下了数百个采空区.根据该矿矿体和 围岩的实际情况，选用RAMAC雷达的100MHz 天线进行空区探测，并对其充填状况作出判断. 图3为某一采空区的雷达探测成果图， 图3中，圆圈圈定处为采空区顶部出现位置， 两处采空区顶部位置分别距起点4.5~6.5m, 8.5-9.8m:深度分别为5.0-5.5m,5.5-6.0m.由于 该两处采空区异常点十分接近，其实际为一个大 10 的采空区的顶部两个至高点，故该两处异常点范 围内可能均为采空区，且其顶部离测试巷道地面 由深到浅.另外，图像表明，雷达波进入采空区 后，被吸收衰减得非常快.因此，可以推断此空区 15 内有一定深度的积水.该处探测结果后来被现场 图3采空区雷达探测图像 钻探结果验证， Fig.3 GPR image of gob

l V b . 7 o 2 N . l 刘 敦文 等 : 采 空 区 充 填物 探地 雷达 识别 技术 研究及 应 用 根 据探 地 雷达 探 测理 论 , 模 型 中空 区在 雷 达 图像 中显现 的 图像特 征 为双 曲线 . 如 图 2 中所 示 , 在 雷达 图像 剖 面 中均 己 标 出 了模型 中 的两 个 空区 的位 置 , 其深 度 与距 测 线起 点的 水平 距 离 , 可 通过 移动 软件 中双光标 标 出 , 图中 己标 出 了右 侧 的 空 区位 置 , 即深 度 2 45 m m , 距 测 线起 点 距 离 分 别 为 30 8 , 3 3 6 , 3 0 8 , 4 l l mtn . 各 个 图 中空 区距 测 线起 点 有些 差异 , 这 是 由于 考虑 到距 测线 起 点位 置对 该实验 结 果 没有 影 响 , 在 测试 过程 中 , 每次 在测 线 A B 上放 置 雷达 天 线起 始 位 置 时 , 没有 完 全一 致 所致 . 从探 地 雷达 图像 中可 知 , 空 区 深度 245 ~ , 对应 的雷达 波 双 程走 时 为 .3 838 sn . 通 过 雷达 软 件反 算 , 可求 得 雷达 波 的平 均 速 率 为 1巧 . 3 耐哪 . 根据 公式 (4 )可 求 出模 型 的相 对介 电常数 . 当然 , 这样 计 算 得 到 的 模型 介 质 相 对 介 电常 数 会 有 些 误差 , 但足 以满 足 后 面相 互 比较 的精 度要 求 . 从 不 同充 填介 质 的探 地 雷达 图像 可 以看 出 , 随充 填介质 与 模型 介质 的相 对 介 电常数 变化 , 探 地 雷达 图像 也有 些变 化 . 当模 型 空 区 中充 填介 质 为 空气 时 , 空 区在探 地 雷达 图像 中呈 现 的 曲线 很 尖 , 这 是 由于模 型介 质 的介 电常 数与 空气 的介 电 常 数 相 差很 大 ; 当模 型空 区 中充 填介 质 为 泥 浆 时 , 空 区 在探 地 雷达 图像 中呈 现 的 曲线较 尖 , 这 是 由于模 型 介 质 的介 电常 数 与 泥 浆 的介 电常 数 相差 较 大 ; 当模 型 空区 中 充填 介质 为 干砂 时 , 空 区 在 探地 雷达 图 像 中呈 现 的 曲线变 得较 小 , 这是 由于模 型 介 质 的介 电常 数 与 干砂 的介 电常 数相 差 很 小 ; 当模 型 空区 中充 填 介质 为 水 时 , 空 区 在 探 地 雷达 图像 中呈 现 的 曲线变 得 较 大 , 但 较 宽 , 这 是 由于 模 型介 质 的介 电常数 与 水 的 介 电常 数 相 差较 大 , 以及 空区 中的水 已将 空 区 周 围区 域浸 湿 所 致 . 从表 1 可 以看 出 , 对于 同一 空 区 , 其 充填 介质 不 同 , 其 图像特 征 也 不一 样 . 对 两 种 不 同的 充填 介 质而 言 , 若其 各 自与 模型 本身 介质 的 相对介 电 常 数 之 差越 接 近 , 其 各 自之 间 的 图像特 征越 相 似 ; 反之 , 其 图像特 征 差 异性 越 大 . 表 1 各探 地 雷达 图像 中 空区 图像特 征对 比表 aT b le 1 C o r r e al it o n at b l e o f G P R ha a g e fe a t u cr fo r e a v i iet s 介质 空气 泥 浆 干 砂 相 对介 电常 数 与模 型介 质 的相对 介 电 常数之 差 探 地 雷达测 试 图 5 . 7 7 5 , 2 3 1 . 7 7 7 4 . 2 3 图 2 ( a ) 图 2 ( b ) 图 2 ( e ) 图 2 (d) 探 地 雷达 图像 中空 区 图像特 征 比 较 图 2 (a) 与 山) 的 空区 图像特 征极 相似 , 相 似 程度 达 80 % 以上 图 2 (c) 与 (d) 的空 区 图像特 征相 差最 大 , 相 异程 度达 90 % 以上 3 应 用 实 例 白银 公 司厂 坝 铅 锌 矿 的主 矿 体 由 于 屡 遭 群 采 破 坏 , 留下 了数 百个 采 空 区 . 根据 该矿 矿 体 和 围岩 的实 际 情况 , 选 用 R A M A c 雷 达 的 10 0 M H z 天 线进 行 空 区探 测 , 并 对其 充 填状 况 作 出判 断 . 图 3 为 某一 采 空 区 的雷 达探 测 成果 图 . 图 3 中 , 圆圈 圈定处 为采 空 区顶 部 出现位 置 . 两 处 采 空 区 顶 部 位 置 分 别 距 起 点 .4 5一.6 5 m, 8 . 5一 9 . 8 m ; 深度 分 别 为 5 . 0一 5 . 5 m , 5 . 5一 6 . 0 m . 由于 该两处 采 空 区异 常点 十分 接近 , 其 实 际为一 个 大 的采 空区 的顶 部 两个 至高 点 , 故 该 两处 异常 点范 围内可 能均 为采 空区 , 且 其 顶部 离测 试巷 道 地 面 由深 到浅 . 另外 , 图像 表 明 , 雷达 波 进入 采 空 区 后 , 被 吸收 衰减 得 非常 快 . 因此 , 可 以推 断此 空 区 内有一 定深 度 的积 水 . 该 处探 测 结果 后来 被 现场 钻 探结 果验 证 . 测线距离m/ 追侧ù澎举迷 图 3 采 空 区雷达 探测 图像 F i g . 3 G P R i m a g e o f g o b

·16e 北京科技大学学报 2005年第1期 4结论 [4)张金才，张玉卓，刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水，北 京：地质出版社，1997 通过室内与现场试验研究，可以取得如下一 [5]Siggins A F.A radar investigation of fracture in a granite out- 些结论： crop.Exploration Geophys,1990,21(1-2):105 [6]王连成，地质雷达在工程地质和煤矿生产中的应用.山东 (1)随充填介质与模型介质的相对介电常数 矿业学院学报，1999,18(1)：17 之差增大，空区图像特征愈明显，探测效果愈好. [刀杨永杰，刘传孝，蒋金泉，探地雷达方法及在井下工程探 (2)对两种不同的充填介质而言，若其各自与 测中的实际应用.山东矿业学院学报，1997,16(4)：353 模型本身介质的相对介电常数之差越接近，其各 [8)】申宝宏，矿井地质衢达在煤矿中的应用现状.矿业安全 与环保，1999(1)：3 自之间的图像特征越相似，反之，其图像特征差 [9]王连成.矿井地质雷达的方法及应用.煤炭学报，2000,25 异性越大. (1):5 (3)试验结果表明，空区充填介质与其在雷达 [10]刘传孝.新汶华丰矿并巷松动圈探地爵达实测研究.应用 图像的特征存在一定的相关性.通过大量的实验 基础与工程科学学报，1999,72：171 [11]Momayez M,Hassani F P,Hara A et al.Application of GPR in 研究，完全可以获得不同充填介质在探地雷达图 Canadian mines.CIM Bull,1996.89:107 像中表现出的特征之间的规律，进而辨别不同充 [12]Peden IC.Brew J.A laboratory scale model for the study of sub- 填介质， surface scattering in low-loss media with applications to ground (4)实践表明，探地雷达可以高效、快捷地探 penetrating radar.J Appl Geophys,1995,33(1-3):109 [13]Jiao YR,McMehan GA,Pettinelli E.In situ 2-D and 3-D mea- 测地下采空区，并对其充填状态作出判断，这为 surements of radiation patters of half-wave dipole GPR anten- 井下采空区及时处理和矿床安全开采提供科学 nas.J Appl Geophys,2000,43(1):69 依据. [14]Deng R L,Liu C.FM-CW radar performance in a lossy layered medium.J Appl Geophys,1999,42(1):23 参考文献 [15]Berabinin M,Pettinelli E,Pierdicca N,et al.Field experiments for characterization of GPR antenna and pulse propagation.J [1]BakerRL,CullJP.Acquisition and signal processing of ground- Appl Geophys,1995,33(1~3):63 penetrating radar for shallow exploration and open-pit mining. [16]Robert A,Bosset C D.Application du georadar a la localization Exploration Geopbys,1992,23(1-2):17 de cavites,de nids e gravier et de zones karstiques.J Appl Ge- [2]Tumer G,Yelf R J,Hatherly P J.Coal mining applications of opy8,1994,31(1-3):197 ground radar.Exploration Geophys,1990,21(1-2):165 [17刀李大心.探地雷达方法及应用.北京：地质出版社，1994 [)刘敦文，徐国元，黄仁东，等。金属矿采空区探测新技术 [18]Daniels JJ.Fundamental of Ground Penetrating Radar.London: 中国矿业，2000(4)：33 Soft Earth Associates Inc.,1990 Exploration study of gob filling by ground penetrating radar and its application LIU Dunwen,GU Desheng,XU Guoyuan,HUANG Rendong School of Resources and Safety Engineering.Central South University,Changsha 410083,China ABSTRACT An experimental model with two cavities was made of concrete,ore fines and tails in the laboratory. Simulation experiments were conducted to study the characters in Ground Penetrating Radar(GPR)images ofevery filling body by filling water,sand,mud and air in turn.Experimental results indicate the radar image changes with gob filling.Field investigations were carried out at Changba Lead-zinc Mine in China.The main detecting method for gob and its filling by GPR was expounded.The space distribution of gob was obtained.The filling can be well identified by analyzing the radar images.The results of field experiments show GPR technique is useful,high-effi- ciency and nondestructive for detecting gob and its filling. KEY WORDS gob;filling;ground penetrating radar;identification;detection

北 京 科 技 大 学 学 报 20 5 年 第 1 期 4 结论 通 过 室 内与现 场 试验 研 究 , 可 以取 得 如下 一 些结 论 : ( 1) 随充 填介 质 与模型 介 质 的相 对介 电常数 之 差增 大 , 空 区 图像 特征 愈 明显 , 探 测效 果 愈好 . (2 )对 两种 不 同的 充填介 质 而言 , 若 其各 自与 模 型本 身介 质 的相对 介 电常数 之 差越接近 , 其 各 自之 间的 图像 特征越 相似 ; 反 之 , 其 图像特征 差 异性 越 大 . (3 )试 验 结果表 明 , 空 区 充填介 质 与其在 雷达 图像 的特 征存 在一 定 的相关 性 . 通过大 量 的实验 研究 , 完 全可 以获得 不 同充 填介 质在 探 地雷 达 图 像 中表 现 出的特 征之 间的规 律 , 进而 辨 别不 同充 填 介质 . (4 ) 实 践表 明 , 探地 雷 达 可 以高 效 、 快捷 地 探 测地 下 采 空区 , 并对 其 充填 状 态 作 出判 断 , 这 为 井 下 采 空 区 及 时 处理 和 矿床 安 全 开采 提 供 科 学 依 据 . 参 考 文 献 [ l ] B ak e r R L , C u ll J P . cA q ul s it on aD d s igD ia P 找` e s s i n g o f 乡旧 nU d - 讲朋加宜运 9 r a 透ar of r s hal l ow e xP of 耐ion an d o P e n -P it m in 恤9 . E x p l o ar d o . G . P 卜y8 , 1 99 2 , 2 3 ( l 心) : 17 [ 2 ] T 切m e r G , eY lf R J , H al 山改 ly P J . C o ia m in in g aP P il c at i o ns o f 脚nU d r “ 世 . E却ol ar “ o l G切 p 加y , , 19 0 , 2 1( l一) : 1 6 5 3[ ] 刘教 文 , 徐 国元 , 黄 仁东 , 等 . 金 属矿采 空区 探 测新 技术 . 中国矿业 , 2 0 00( 4 ) : 3 3 4[ ] 张金才 , 张玉 卓 , 刘 天泉 . 岩 体渗流 与煤 层底 板 突水 . 北 京 : 地质 出版 社 , 1 9 97 5[ 1 S lg in s A F . A ar 山盯 ivn es tlg at lon o f 仓aC tU er in a 歹aD iet o -ut c rp P . E I P I O . iOt . C 切p卜扣 , l 9 9() , 2 1( 1一) : 10 5 16 ] 王连成 . 地 质雷达 在工程地质 和煤矿 生产 中的应 用 . 山东 矿 业 学院 学报 , 19 9 , 18( l) : 17 17] 杨永杰 , 刘 传 孝 , 蒋 金泉 . 探地 雷达方 法及 在井 下工程 探 测 中的实际 应用 . UJ 东矿 业学院学 报 , 19 9 7 , 16 ( 4 ) : 3 53 8[ 』 申宝 宏 . 矿井 地质 雷达 在煤 矿 中的应 用现 状 . 矿业安 全 与环保 , 19 9 ( l ) : 3 9[ l 王连 成 . 矿井 地质 雷达 的方 法及应 用 . 煤 炭学报 , 2 0 0 , 25 ( l ) : 5 【10] 刘传 孝 . 新泣 华丰矿 井巷松动 圈探地 雷达 实测研究 . 应用 基础 与工 程科学学 报 , 19 9 , 7 ( 2) : 171 【川 M o m 即ez 城 H as s叨i F 只H ar a A et 目 . A P P lic 毗on of GP R in C叨ad lan m l n e s . C IM B . 皿 , 19 96 , 8 9 : 10 7 [ 12 ] P e d e n I C , B r e、 v J . A l a bO art o ry s e iac m od e 1 fOr ht e s tU dy o f s u 卜 s u d兔ce s e at e 而唱 in l o w . los s m诫 a w iht aP P il c at i ons t o gr o nU d pe n 创出时 in g ar d ar . J A p p l G oe p 如y . , 1 9 95 , 3 3 ( l一) : 10 9 【13 】iJ ao Y R, M c k肠加坦 G 人 P et in e il E . nI s itU Z一 an d 3一 m -ae s叨 er m e n st o f r a d lat i o n p at et n” 。 f回卜 w vac id op 卜 GP R ant 卧 asn . J A P川 G e p七y s , 2 0 0 0 , 4 3 ( 1) : 6 9 [ 14 ] D比 g R L , L in C . FM 一 C W ar d ar pe orf n 刀 a n c e in a l o s sy aly e r de m诫 um . J A P I G e o P . y . , 19 9 , 42 ( l ) : 2 3 [ 15 ] B e 介bI in in M , P e币 n e lil E, Pi e dr l哪 N, et al . F i e ld e x pe rU n e n t s ofr c h ar a c t er 祖 at ion o f G沪 R a n et an an d P u】s e P r o Pag iat ol . J A即 I C掩 o P七y , , 19 9 5 , 3 3 ( l一 3 ) : 6 3 【16] oR be rt A, B馏 et C D . A p il ca tion d u g心o ar 山趁 孟 af of c a l七 at ion de aC v it心s , d e in ds e g ar v l e r et de z o n e s k别围 it q ues . J A p p l G e . o P七y . , 1 99 4 , 3 1( l一 ) : 19 7 【1刀李大 心 . 探地 雷达 方法及 应用 . 北京 : 地 质 出版社 , 19 94 [ 18 ] D画 e l s J J . F如ds 叨 e n atl o f rG o un d P e n e tr at in g R a d ar . L 0 n d o n : S o ft E ar tl l sA s oc iat e s nI e . , 1 99 0 E x P l o aft i o n s tu 勿 o f g o b if ll ign b y gr o u n d P e n e tr a t in g r a d ar a n d it s ap P li c iat o n LI U D un w en , G U D es h e 叹9, X U G u oJ 胡 a n , 万乙月刃G R en do gn s ch o l o f R e s o cur es an d s 晚yt E吃运留血` , c e n tr 目 s o u ht U n i v e sr iyt, c h肚堪 s恤 4 10 8 3 . C bin a A丑 s T R A C T nA e xP e r匡 n e n alt m o d e l w iht 幻刀 0 c va it se 、 v a s m a d e of c con er et , oer ifn es an d iat ls in het lab o r at o yr . S im u l iat on e xP e ir m e n st ~ c o n d uc t e d ot s ut dy het c h ar a c t esr in 〔扮O nU d P e n e tr 硕gn R a山盯 (GP )R 加吧e s of ve 卿 ifl il gn bo 勿 by ifl l ign w at e r, s an d , m od an d iar in t u r n . E x P e it m e n at l er s ult s in d i c aet het r a 山犷 面ag e c h an g e s With g o b ifl l ign . iF el d ivn o ist g iat on s w er c 田ir ed o ut at C h an g b a eL -ad izn c Mien in C hi n a . Th e m ian d e et c itn g m e ht o d for g o b an d it s if ll ign 妙 GP R , v a s e x OP nU d e d . hT e sP ac e d i s itr b lu ion o f g ob was o bat ine d . Th e if ll ign e an b e we ll 记即t iif de by an ly z 扰 gL het r a d ar 如吧 e s . hT e ’Ie s u 1st of ife ld e xP ~ e snt s h o w G PR et c h 山q u e is su e创 , ih gh 一e if - ic en cy adn no dne s lt u c t i v o for d e t e c int g g o b an d ist ifl 吨 . K E Y WO R D S go ;b ifl l ign ; 岁帅记 p en e tr at ign r a d ar ; i d e nt iif c iat on ; de t e c t ion