一种用地质雷达检测铝矿直接顶板厚度的方法与流程

[0001]
本发明涉及一种铝矿直接顶板厚度测量方法，尤其涉及一种用地质雷达检测铝矿直接顶板厚度的方法，属于铝矿开采技术领域。


背景技术：

[0002]
矿山目前采用的留矿壁护顶房柱法，此采矿方法在地下铝土矿开采中仍处于起步摸索阶段，矿体顶板边界不清楚时，难以确定留设护顶矿壁的厚度，容易造成超采或欠挖，造成回采贫损指标高，降低了采出矿石品质，同时给回采安全带来严重的威胁。
[0003]
针对顶板岩层厚度的探测主要有以下几种手段：
[0004]
声波反射法：声波反射法主要设备为声波检测仪，声波检测仪由仪器硬件系统、数据采集控制系统和数据处理系统三大部分组成。硬件系统包括主机、声波发射和接收换能器及电源等组成；数据采集控制系统主要包括采样控制、工程参数设置、系统参数设置、文件管理等功能；数据处理系统主要包括显示\隐藏单列波形、声速(v)、声时(t)、能量(e)曲线、波形的拉伸与压缩、过程回放、声速层析成像处理软件。
[0005]
声波反射法被广泛应用于煤矿综采工作面顶煤厚度探测，主要是利用煤层与直接顶板岩性的差异导致声波传播的波速、频率等不同来判断煤层厚度。猫场矿直接顶板为粘土岩，间接顶板为含水白云岩，两者岩性差异较大，声波反射法探测直接顶板厚度是可行的。
[0006]
钻孔摄像法：钻孔摄像技术经历了钻孔照相(bpc)、钻孔摄像(bvc)和数字光学成像(dbot)3个发展阶段，是目前应用和发展较快的一种技术。国际上最具代表性的2种数字光学成像系统是数字光学前景钻孔电视与数字式全景钻孔摄像系统。
[0007]
数字式全景钻孔摄像系统包括主机、探头等精密传感器件、线缆、分析软件等。该系统是把一自带光源的摄像探头放入地下钻孔中，可观测到地层岩性、岩石结构、活动性断层、岩层的完整性和原生裂隙的发育特征、受采动岩体裂缝带内岩层的裂缝发育宽度等等数据，通过软件分析系统及图像处理系统可将获取的信号转换成全景图片。数字式全景钻孔摄像系统具有高集成性及高便携性，观测结果直观可靠。
[0008]
目前关于岩层厚度测定的研究主要集中在煤层厚度的测定研究，煤层的物理化学性质完全不同于粘土岩等矿层，基本不具备参考价值。同时，针对地下铝土矿的相关开采技术研究成果极其稀少。


技术实现要素：

[0009]
本发明要解决的技术问题是：提供一种用地质雷达检测铝矿直接顶板厚度的方法，通过对3#采场使用ssp地质雷达对其对3#采场和6#采场的平巷和上山区域进行了直接顶板厚度的测量，可以大致确定出矿层与岩层的分界面，从而可以较好的探测出直接顶板的厚度。探索了铝土矿顶板厚度快速探测方法，为在采场回采作业过程中护顶矿留设厚度的确定及间柱留设位置提供技术支撑，同时ssp地质雷达测定得出的数据能满足铝矿顶板
安全控制综合技术研究过程中对顶板测定设备的试验要求，有效的解决了上述存在的问题。
[0010]
本发明的技术方案为：一种用地质雷达检测铝矿直接顶板厚度的方法，所述方法为：由放置在采场空区的发射天线将电信号转换为高频电磁波，并以宽频带短脉冲形式定向发送至顶板围岩中，而顶板围岩地层结构中不同介电常数的介质对高频电磁波具有不同的波阻能力，因此当顶板中介质介电常数不同时便会对高频电磁波产生折射和反射，反射回的能量将被接收天线所接收并转化为电信号，通过分析雷达图像来确定矿体直接顶板和间接顶板的交界面位置，从而判断直接顶板厚度。
[0011]
所述地质雷达的雷达方程为：
[0012]
上式1中：p
t
、p
r
——分别为发射天线和接收天线的频率；
[0013]
g
t
、g
r
——分别为发射天线和接收天线的增益，一般g
t
＝g
r
；
[0014]
α——传播介质的衰减系数；
[0015]
λ——雷达子波在介质中传播的波长；
[0016]
r——天线距离障碍物的距离；
[0017]
g——障碍物的雷达波散射截面因子；
[0018]
当使用的地质雷达接收天线完全匹配时，耦合系数c
m
为1，则此时信噪比可表示为：
[0019][0020]
上式2中：——背景噪声的功率谱密度，
[0021]
k
b
——boltzman常数，一般取1.38
×
10-13
j/k；
[0022]
f
n
——噪声系数；
[0023]
t
o
——系统温度；
[0024]
c、d——分别与雷达系统和介质性质有关。
[0025]
本发明的有益效果是：与现有技术相比，采用本发明的技术方案，通过对3#采场使用ssp地质雷达对其对3#采场和6#采场的平巷和上山区域进行了直接顶板厚度的测量，可以大致确定出矿层与岩层的分界面，从而可以较好的探测出直接顶板的厚度。探索了铝土矿顶板厚度快速探测方法，为在采场回采作业过程中护顶矿留设厚度的确定及间柱留设位置提供技术支撑，同时ssp地质雷达测定得出的数据能满足铝矿顶板安全控制综合技术研究过程中对顶板测定设备的试验要求。
[0026]
地质雷达是一种光谱电磁波技术，采用高频带电磁波确定介质内部物质分布规律的一种物理方法。地质雷达由主机、天线、计算机、电源、数据电缆及光钎组成。雷达天线发射的电磁波在不同介质内传播时，发生的反射和能量衰减的速度不同，反应得到的雷达图像的波形特征、频率、振幅及相位不同，因此可通过分析雷达图像来确定矿体直接顶板和间接顶板的交界面位置，从而判断直接顶板厚度。
附图说明
[0027]
图1为本发明的工作原理图；
[0028]
图2为本发明的平巷顶板探测数据图；
[0029]
图3为本发明的上山顶板探测数据图；
[0030]
图4为本发明的s6-1切割平巷顶板探测数据图；
[0031]
图5为本发明的s6-1上山顶板探测数据图；
[0032]
图6为本发明的s6-2上山顶板探测数据图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照本说明书附图对本发明作进一步的详细描述。
[0034]
实施例1：如附图1所示，一种用地质雷达检测铝矿直接顶板厚度的方法，所述方法为：由放置在采场空区的发射天线将电信号转换为高频电磁波，并以宽频带短脉冲形式定向发送至顶板围岩中，而顶板围岩地层结构中不同介电常数的介质对高频电磁波具有不同的波阻能力，因此当顶板中介质介电常数不同时便会对高频电磁波产生折射和反射，反射回的能量将被接收天线所接收并转化为电信号。
[0035]
雷达天线发射的电磁波在不同介质内传播时，发生的反射和能量衰减的速度不同，反应得到的雷达图像的波形特征、频率、振幅及相位不同。因此可通过分析雷达图像来确定矿体直接顶板和间接顶板的交界面位置，从而判断直接顶板厚度。
[0036]
一、地质雷达技术参数
[0037]
地质雷达的技术参数主要包括地质雷达的探测深度和雷达探测的分辨率，其中技术参数主要由地质雷达方程所决定的。
[0038]
雷达方程
[0039][0040]
上式中：p
t
、p
r
——分别为发射天线和接收天线的频率
[0041]
g
t
、g
r
——分别为发射天线和接收天线的增益，一般g
t
＝g
r
[0042]
α——传播介质的衰减系数
[0043]
λ——雷达子波在介质中传播的波长
[0044]
r——天线距离障碍物的距离
[0045]
g——障碍物的雷达波散射截面因子
[0046]
当使用的地质雷达接收天线完全匹配时，耦合系数c
m
为1，则此时信噪比可表示为：
[0047][0048]
上式中：——背景噪声的功率谱密度，
[0049]
k
b
——boltzman常数，一般取1.38
×
10-13
j/k
[0050]
f
n
——噪声系数
[0051]
t
o
——系统温度
[0052]
c、d——分别与雷达系统和介质性质有关
[0053]
二、探测距离
[0054]
由(4-2)式可知，信噪比主要与雷达系统与介质性质两部分
[0055]
有关，当选定一个地质雷达系统后，即(4-2)式中c确定，其信噪比则取决于介质性质。当(s/n)＝1时，雷达可探测到的最大距离rmax，主要取决于电磁波长λ，障碍物向后散射截面因子及传播介质的衰减系数。对于均匀衰减介质：
[0056][0057][0058]
(4-3)式、(4-4)式中：a——电磁波在空气中的传播速度
[0059]
f——电磁波的频率
[0060]
μ
r
——传播介质相对导磁率
[0061]
ε
r
——相对介电常数
[0062]
z0——自由空间的波阻抗
[0063]
σ——导电率
[0064]
w——能量衰减系数
[0065]
由(4-2)式、(4-3)式、(4-4)式可知，与地质雷达传播距离密切相关的因素主要有介电常数e
r
、导电率s、相对导磁率m
r
以及电磁波的频率f等。经有关学者研究得出，导磁率m
r
对探测距离的影响可忽略。电磁波在介质中的探测距离可由能量衰减系数w来表示：
[0066]
w＝2*π*σ*f*ε
r
ꢀꢀꢀ
(4-5)
[0067]
由(4-5)式可知，衰减系数w与电磁波的频率f成正比，即频率越高，衰减越快，探测距离越短；当频率一定时，导电率和相对介电常数越大，衰减越快，探测距离越短；反之，同理。
[0068]
三、介电常数
[0069]
介电常数反映了介质对电磁波的辐射、散射、吸收和传输等特性。在电磁波到达地表后发生透射、折射会使入射波减弱，而衰减的程度多由介电常数的大小决定。通过微波参数后向散射系数反演介电常数的理论已经十分成熟，常见的有oh模型、iem模型、dubois模型等。因此可以通过介电常数建立起电磁波与介质其他物理量及化学量间的关系，相对成熟的模型有水的介电常数模型、土壤的介电常数模型、植被的介电常数模型等。
[0070]
表1 常见材料介电常数表(参考值)
[0071]
材料介电常数值空气1水(淡)81水(咸)8花岗岩5-8
石灰岩7-9白云岩6.8-8玄武岩(湿)8泥岩(湿)7砂岩(湿)6混凝土5-8
[0072]
四、吸收系数
[0073]
absorptioncoefficient又称“衰减系数”当电磁波进入岩石中时，由于涡流的热能损耗，将使电磁波的强度随进入距离的增加而衰减，这种现象又称为岩石对电磁波的吸收作用。吸收或衰减系数β的大小和电磁波角频率ω、岩石导电率σ、岩石导磁率μ、岩石介电系数ε有关在导体中则简化为：
[0074]
五、分辨率
[0075]
分辨率是指地质雷达探测时能够分辨最小障碍物的能力，可分为横向分辨率和垂向分辨率。
[0076]
横向分辨率是指地质雷达在横向方向上所能分辨的最小障碍物的尺寸，一般根据波的干涉原理，横向分辨率通常由第一菲涅尔带半径确定，即：
[0077][0078]
上式中：r
r
——第一菲涅尔带半径
[0079]
h——障碍物的埋置深度
[0080]
λ——地质雷达子波波长
[0081]
对单个障碍物的横向分辨率远小于第一菲涅尔带半径r
r
，因此要区分出横向方向上两个相邻障碍物的最小横向距离要比第一菲涅尔带半径r
r
大。垂向分辨率是指地质雷达要区分雷达剖面上一个以上反射界面的能力。一般垂向分辨率的下限取为b＝λ/4，为地层厚度。当b<λ/4，无法确定地层厚度。
[0082]
实际工作中，仪器工作参数的选取原则一般为：先由已知地层求出待测目标体中的平均雷达波速，然后根据所要勘察的目标深度和分辨率(其纵向分辨率为波长的1/2)选择天线主频。
[0083]
六、雷达反射深度
[0084]
雷达波属高频电磁波的范畴，其原理基于电磁波反射原理，在界面上的反射和透射遵循光学定理。发射天线发射电磁波，当遇到介质分界面时产生反射波，反射被放置在介质表面的接收天线接收，主机记录。
[0085]
反射界面深度：
[0086][0087]
式中：z为反射界面深度；t为电磁波从探头到反射界面的传播时间；v为电磁波传播速度；x为发射与接收探头间的距离。
[0088]
电磁波在介质中传播的速度：
[0089][0090]
式中：c为电磁波在真空中传播的速度；ε
r
为介质的相对介电常数(常见材料的相对介电常数见表)。由于发射天线与接收天线的距离很近，电场方向通常垂直于入射平面，因而反射系统可简写成
[0091][0092]
式中：ε
r1
和ε
r2
分别为上、下层介质的相对介电常数。
[0093]
地质雷达有效深度和分辨率与电波频率相关，其基本关系为：
[0094]
表2 地质雷达有效深度和分辨率与电波频率基本关系表
[0095]
中心频率(mhz)探测深度(m)分辨率(cm)106020025501005040501002525200～2501212.5350～500758002.5310001.52.51200～160011.524.000～25000.50.8
[0096]
七、ssp地质雷达：南非陆泰克公司研发的新型变频ssp地质雷达，它不同于传统的定频地质雷达，不需要事先进行天线的频率设定。陆泰克最初设计开发ssp地质雷达的初衷是矿山用便携式地质雷达，现场操作简便，获取的数据通过无线通讯实时输入便携平板电脑，现场操作人员可及时获取扫描的岩体构造特征。
[0097]
ssp地质雷达频率在350～1700mhz之间，在探测深度7m的情况下，其中心的频率在350～500mhz之间，探测精度大概为5cm。根据其技术特点，ssp无法完成浅层高精度的探伤工作，其次无法完成大深度的地质物探工作。
[0098]
ssp地质雷达的优势应用领域在：巷道物探、掌子面超前预测、硐室顶底板检测、矿柱检测、浅层空区探测、围岩稳定性检测、管道探测等方面。
[0099]
ssp地质雷达通过无线传输，可将探测的原始数据实时传到手持终端进行处理分析，并得到可视化的岩体内部探测数据，可快速直观的显示被测区域的内部情况。
[0100]
ssp地质雷达重约4.5公斤，可单人完成探测操作，雷达探头为滚轮式，扫描效率较高，可使用更换式电源(aa电池)，对设备连续使用较有利。
[0101]
ssp地质雷达具有数据实时处理，现场快速成像的特点，与传统地质雷达技术相比，可以更加直观的显示雷达探测结果，不需要进行波形解译等操作，有效的降低了雷达技术在实际工程中的应用障碍，提高了使用效率。
[0102]
八、本实施例中，将采用ssp地质雷达用于南部矿区3#采场(切顶部矿体房柱法工
业试验采场)及6#采场(切直接顶板粘土岩房柱法工业试验采场)试验采场的直接顶板厚度测定。
[0103]
1、南部3#采场现场试验及数据分析
[0104]
在猫场铝土矿1140m中段南部3#采场-1平巷k0+20-k0+26m及3-1上山k0+28-k0+40m处进行了ssp测定矿体直接顶板厚度的试验。现场测试完毕后，通过分析现场收集的图像给出了测试地点的直接顶板厚度。
[0105]
1.1南部3#采场平巷直接顶板分析
[0106]
在猫场南部3#采场-1平巷k0+20-k0+26m顶板位置处进行了ssp地质雷达的测量，现场完成扫描测试后，得到原始数据图，通过加载同一区域内的标定信号测试参数，快速获得处理后的雷达信号异常区域图，如附图2所示。
[0107]
由图像显示结合现场实际情况分析可以得出：图中a为浅层爆破破碎带；b为稳定层；c为铝土矿层(其中a、b、c均为铝土矿层)；d为铝土矿直接顶板-铝土岩层；e为矿层间接顶板-白云岩层。根据图中标尺可以估算出顶板矿层厚度在4.5m左右；直接顶板铝土岩层厚度为0.6m左右。
[0108]
由便携式探测雷达ssp测试数据显示，平巷的顶板至深部1m左右由于爆破作业时的爆破振动破坏，导致该铝土矿层较为破碎，因此在作业过程中需要加强顶板的管理工作；在回采矿石的过程中，可以先采上层矿体，预留0.5-0.8m的护顶矿壁，再采下层矿体。
[0109]
1.2南部3#采场上山直接顶板分析
[0110]
在猫场南部3#采场-1上山k0+28-k0+40m顶板位置处进行了ssp地质雷达的测量，现场完成扫描测试后，得到原始数据图，通过加载同一区域内的标定信号测试参数，快速获得处理后的雷达信号异常区域图，如附图3所示。
[0111]
由图像显示结合现场实际情况分析可以得出：图中a为浅层爆破破碎带；b为稳定层；c为直接顶板-铝土岩层；d为矿层间接顶板-白云岩层；e、f为采场附近的地质构造破碎带。根据图中标尺可以估算出顶板矿层厚度在2m左右；直接顶板铝土岩层厚度为0.5m左右。
[0112]
由地质雷达测试数据图可以分析出，上山顶板至深部1m左右由于爆破振动破坏，导致铝土矿层较为破碎，因此在作业过程中需要加强顶板的管理工作，做好敲帮问顶的工作。建议在回采过程中，压顶1.2-1.5m左右，并预留0.5-0.8m的护顶矿壁。
[0113]
2、南部6#采场现场试验及数据分析
[0114]
在猫场铝土矿1160m中段南部6#采场6-1平巷k0+16m、s6-1上山k0+38m及s6-2上山k0+59m处进行了ssp测定矿体直接顶板厚度的试验。现场测试完毕后，通过分析现场收集的图像给出了测试地点的直接顶板厚度。
[0115]
2.1南部s6#平巷直接顶板分析
[0116]
在猫场南部6#采场-1切割平巷k0+16m顶板位置处进行了ssp地质雷达的测量，现场完成扫描测试后，得到原始数据图，通过加载同一区域内的标定信号测试参数，快速获得处理后的雷达信号异常区域图，如附图4所示。
[0117]
由于6#采场的切割平巷布置在矿体顶板位置处，上部顶板均为白云岩。由图像显示结合现场实际情况分析可以得出：图中a区域岩体破碎、节理发育，为不稳固白云岩层，不稳固厚度在4.7-6.8m左右；b区域根据探测结果分析可以得知该区域较为稳定白云岩。
[0118]
由地质雷达测试数据图可以分析出，a为巷道直接顶板岩体且稳固性较差，白云岩
层出现了分层现象，建议在施工过程中应该及时根据现场情况做好必要的支护工作，日常施工过程中必须认真落实敲帮问顶工作，做好安全检查及确认工作。
[0119]
2.2南部s6#-1上山直接顶板分析
[0120]
在猫场南部6#采场-1上山k0+38m顶板位置处进行了ssp地质雷达的测量，现场完成扫描测试后，得到原始数据图，通过加载同一区域内的标定信号测试参数，快速获得处理后的雷达信号异常区域图，如附图5所示。
[0121]
由于6#采场的1上山布置在矿体顶板位置处，上部顶板均为白云岩。由图像显示结合现场实际情况分析可以得出：图中a区域为切割上山目前已经揭露的完整性较好的摆佐组灰色粗晶状白云岩；b区与a区有明显分界线，根据探测结果可以分析得出，b区岩体较为破碎或者节理裂隙发育，为不稳固岩层，不稳定厚度在3.5m左右；c区根据探测结果分析为较为稳定的白云岩层。
[0122]
由地质雷达测试数据图可以分析出，由于此采场为切顶采场，切顶完成后，采场顶板为a区完整性较好的白云岩，但b区域岩层不稳定，白云岩层出现了分层现象，建议在施工过程中严格按设计控制好矿柱尺寸及回采跨度，并认真做好现场安全确认工作。
[0123]
2.3南部s6#-2上山直接顶板分析
[0124]
在猫场南部6#采场-2上山k0+59m顶板位置处进行了ssp地质雷达的测量，现场完成扫描测试后，得到原始数据图，通过加载同一区域内的标定信号测试参数，快速获得处理后的雷达信号异常区域图，如附图6所示。
[0125]
由于6#采场的2上山布置在矿体顶板位置处，上部顶板均为白云岩。由图像显示结合现场实际情况分析可以得出：图中a区域为切割上山目前已经揭露的完整性较好的摆佐组灰色粗晶状白云岩；b区与a区有明显分界线，根据探测结果分析得出，b区岩体较为破碎或节理发育，为不稳固岩层，不稳定厚度在2.3m左右；c区根据探测结果分析为较为稳定的白云岩。
[0126]
由地质雷达测试数据图可以分析出，由于此采场为切顶采场，切顶完成后，采场顶板为a区完整性较好的白云岩，但b区域岩体不稳固，说明顶板白云岩层出现了分层现象，建议在施工过程中严格按设计控制好矿柱尺寸及回采跨度，并认真做好现场安全确认工作。
[0127]
检测结论：
[0128]
通过现场ssp地质雷达测试可以得出以下结论：
[0129]
(1)通过对3#采场使用ssp地质雷达对其对3#采场和6#采场的平巷和上山区域进行了直接顶板厚度的测量，可以大致确定出矿层与岩层的分界面，从而可以较好的探测出直接顶板的厚度。
[0130]
(2)针对猫场铝矿缓倾斜矿体的赋存形态，选择与不同直接顶板矿体厚度相适应的房柱采矿方法，实现对猫场铝矿地下开采顶板进行安全控制，是本次研究的关键，而探测出矿体直接顶板的厚度则是选择矿体顶板控制技术工艺的前提。
[0131]
(3)利用ssp地质雷达更准确地判断矿房的间柱位置(间柱另一端为采空区)，因此可以更好地预留出护顶矿壁及采场间柱，以及更为准确判定所留矿壁及间柱是否达到要求，以此保证回采过程的安全进行，有效的减少矿石的损失贫化。
[0132]
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说
明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。