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