CN103616390B - 一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法，本发明的方法是在地质雷达探测结果的基础上，结合图像识别技术，取样点拟合出裂隙顶、底部端点反射方程，从而计算出胶结充填体顶板裂隙顶、底部端点坐标值，再根据平面内两点的相对坐标，计算出胶结充填体顶板裂隙长度L及与竖直方向夹角θ，从而了解胶结充填体顶板裂隙存在状态及其演化过程。该方法是一种基于地质雷达真实、可靠、定量探测胶结充填体顶板裂隙状态的探测方法，其获得的测量结果与实际顶板裂隙状态有很强的关联性。

Description

一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法

技术领域

本发明属于采矿工程的灾害探测技术领域，涉及一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法，具体地说，涉及一种基于地质雷达技术的胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法。

背景技术

充填采矿法是地下开采中矿石损失、贫化最低的一种采矿方法，适用于矿岩体不稳固条件下的开采。其中，下向胶结充填法，由于采矿作业面直接顶板为胶结充填体，不仅适合于矿岩体不稳定的条件，对高硫等具有自燃性的矿体开采也十分有效。下向胶结充填采矿过程中，回采工程完成后，即对作业面形成的空区充填胶结充填体，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，然后在形成的胶结充填体顶板保护下进行下一分层矿体回采。

胶结充填体充填后，充填体经过脱水、密实等阶段，自身具有一定的强度后，对胶结充填体下一个分层矿体进行开采，此时，胶结充填体即作为下个分层矿体回采的顶板，因此，充填体顶板的稳定性是保障采矿作业安全的最重要因素。由于，充填体顶板在自重应力的作用下产生应力集中和拉应力，导致充填体顶板容易产生变形，同时，受爆破震动的影响，充填体顶板时常出现不同深度和角度的裂隙，充填体中的裂隙将导致充填体整体强度下降，容易产生顶板冒落安全事故，因此，通过探测确定裂隙的深度、角度状况及裂隙演化情况，对科学分析胶结充填体顶板稳定性及顶板破坏预测，防治灾害事故的发生具有重要的意义，对使用该采矿方法的矿山具有广泛的应用前景。

目前，地下采矿工程中的裂隙探测主要是针对岩层裂隙，通常使用的方法有：钻孔实探、岩层探测记录仪、数字式全景钻孔记录仪、声波探测。前三种探测手段都要破坏原有岩体结构，周期长、工序繁琐，而声波探测获取的声学信号较为复杂，工作人员不易操作识别。由于胶结充填体中的裂隙存在于充填材料中，不能采用钻孔探测的方法。

地质雷达技术具有操作方便简单、分辨率高、高效无损、结果直观、易识别等特点，探测作业过程中能够实时显示探测结果，并可根据探测情况实时调整探测参数，最终实现对胶结充填体顶板裂隙状态的精准探测。

地质雷达利用宽带高频电磁波以脉冲形式对物体内部的异常结构进行扫描，当胶结充填体顶板中存在裂隙时，裂隙中的空气与充填体介质间存在交界面，由于空气与充填体材料介电常数相差较大，因此雷达天线发射的电磁波遇到这个交界面后，根据电磁波反射原理会产生反射信号，反射回来的能量被雷达天线接收，经过雷达主机处理，在屏幕上显示反射波形，根据反射波形特征反映充填体顶板裂隙的状态。

然而，由于电磁波在传播中存在散射规律，对于多分层的裂隙探测，散射条纹较多，不易识别，定量的研究还没有达到完全成功，很大程度上局限于定性分析，因此该研究局限于定量探测单一均质分层胶结充填体顶板中出现的裂隙。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法，是一种基于地质雷达技术的真实、可靠、定量探测胶结充填体顶板裂隙状态的探测方法，本发明所使用的雷达探测装置包括：意大利IDS公司生产的RIS-K2雷达主机、意大利IDS公司生产的1200MHz中心频率屏蔽天线、雷达反射波信号后处理软件Greswin2、笔记本电脑、移动电源和连接电缆。通过地质雷达对胶结充填体顶板裂隙进行探测，结合图像处理及数字化取点，拟合出裂隙反射方程，得到裂隙顶、底部端点处的深度，并根据端点坐标计算裂隙长度L和与竖直方向夹角θ，从而了解胶结充填体顶板裂隙的存在状态及其演化过程，其获得的测量结果与实际裂隙状态有很强的关联性。

其技术方案为：

一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法，包括以下步骤：

1)根据现场状况，在胶结充填体顶板表面布置一条或两条垂直于裂缝走向的测线，测线位置尽可能呈平面状，以免雷达天线陡伏移动导致探测效果不佳，要求测线长度不小于1米，且裂缝位于测线中点，周围无金属反射性强的介质存在，如存在，则要了解金属物性质、大小、位置、埋深情况，同时在探测图像上进行标注，在后处理中剔除该反射。

2)雷达天线在裂缝一侧沿垂直于裂缝方向先增益，该操作使地质雷达探测系统自动记录用于雷达实时探测的信号滤波参数；建议：场地发生变化时，重新进行增益。

3)测线一端作为起始位置，沿测线方向，采用连续采集方式，雷达天线紧贴胶结充填体顶板探测，在天线经过裂隙位置时，在探测图像上做标记，测试至终点结束，保存采集的数据文件。

4)利用雷达反射波信号后处理软件打开数据文件，对雷达数据进行去除直达波、背景去噪、滤波、增益分析处理，使电磁波在裂隙顶、底部端点处反射的双曲线波形更加清晰，标注横、纵坐标，横坐标为水平位置x，纵坐标为反射走时t。

5)导出jpg格式的雷达反射波形图像，使用软件getdata，打开图像文件，设定标尺刻度，在图像中根据横纵坐标设定刻度。利用getdata软件的点捕捉模式，在雷达图像中的双曲线波形清晰明亮的位置选点，软件工作区右侧会自动出现点的横、纵坐标，分别在双曲线左右两侧相同纵坐标t位置选择点，得到点的x坐标。

6)裂隙顶、底部端点反射为双曲线，双曲线方程为

$\frac{{(t+d)}^2}{a}-\frac{{(x+c)}^2}{b}=1---\left(1\right)$

采用粒子群算法拟合步骤5)中的样点数据，得到裂隙端点反射双曲线方程中的a、b、c、d值。

7)读取雷达图像中横坐标最大值x_max，设定横坐标x区间[0，x_max]，求解出公式(1)中裂隙端点深度对应的反射走时t_min，单位：ns。

8)根据公式(2)计算出裂隙端点横坐标x_i，单位：m，i＝1或2。

$x_i=b\sqrt{\frac{{(t_{\min }+d)}^2}{a}-1}-c---\left(2\right)$

9)根据公式(3)计算出裂隙端点深度h：

$h=\frac{c\×t_{\min }}{2\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\×{10}^{-9}---\left(3\right)$

式中：c-电磁波在真空中的传播速度，3×10⁸m/s；

ε-胶结充填体的相对介电常数值。

10)根据步骤8)、9)分别计算出裂隙顶、底部端点坐标，顶部端点坐标为(x₁，h₁)，底部端点坐标为(x₂，h₂)，根据公式(4)和公式(5)计算出胶结充填体顶板裂隙长度L及与竖直方向夹角θ：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(h_2-h_1)}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{x_2-x_1}{h_2-h_1}\right)---\left(5\right)$

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)探测过程无需破坏胶结充填体的结构。

2)探测方法操作简便易行。

3)探测数据的分析方法简单。

4)探测结果的精度较高。

附图说明

图1是本发明实施的方法流程图；

图2是胶结顶板裂隙反射波形成原理图；

图3是雷达图像标尺刻度设定和取点图；

图4是裂隙长度和角度计算原理示意图；

图5是竖直裂隙模型示意图；

图6是竖直裂隙探测结果图；

图7是竖直裂隙雷达图像数字化取点；

图8是竖直裂隙反射拟合曲线

图9是倾斜裂隙模型示意图；

图10是倾斜裂隙探测结果图；

图11是倾斜裂隙雷达图像数字化取点；

图12是倾斜裂隙反射拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例来详细描述本发明的技术方案。

本发明的方法是在地质雷达探测结果图像的基础上，结合图像识别技术，取样点拟合出裂隙顶、底部端点反射方程，从而计算出胶结充填体顶板裂隙顶、底部端点坐标值，再根据平面内两点的相对坐标，计算出胶结充填体顶板裂隙长度L和与竖直方向夹角θ。

图1是本发明实施的方法流程图，包括以下步骤：

设置雷达探测的相关参数，包括天线发射频率、时窗、采样点数、分辨率、扫描速度，使探测效果达到最佳。

由于裂隙深度不可知，先用低频率电磁波进行探测，预测出裂隙深度范围，然后逐渐调整相关参数，确定天线发射频率，使地质雷达探测胶结充填体顶板裂隙深度与探测清晰度之间达到最佳匹配，表1给出地质雷达探测胶结充填体顶板裂隙深度的中心频率推荐值。

表1地质雷达探测裂隙深度的中心频率推荐信

1)根据现场状况，在胶结充填体顶板表面布置一条或两条垂直于裂缝走向的测线，测线位置尽可能呈平面状，以免雷达天线陡伏移动导致探测效果不佳，要求测线长度不小于1米，且裂隙位于测线中点，采取测轮记数方式，实现精准定位。

2)雷达天线从测线一端开始，紧贴胶结充填体顶板表面，沿垂直于裂隙的方向，进行现场增益，并保存数据作为后处理的滤波参数。

3)测线一端作为起始位置，沿测线方向，采用连续采集方式，雷达天线紧贴胶结充填体顶板探测，雷达天线经过裂隙位置时，在探测图像上做标记，测试至终点结束，保存采集的数据文件。

4)利用雷达反射波信号后处理软件打开数据文件，对雷达数据进行去除直达波、背景去噪、滤波、增益分析处理，使裂隙顶、底部端点反射的双曲线波形更加清晰，标注横、纵坐标，横坐标为水平位置，纵坐标为反射走时。

5)导出jpg格式的雷达图像。利用getdata软件，打开图像，设定标尺刻度，根据图像中横、纵坐标的数字分别填入对话框，建立横纵坐标系统。在操作菜单中选择数字化区域，实现图像范围的数字化。打开网格显示，在图像中裂隙顶、底部端点反射双曲线上选取几组样点，取点要求是在双曲线同一纵向位置两侧分别取样点(x，t)，且要求在图像清晰位置取点，由曲线底部逐渐取到顶部位置，尽可能的在曲线上部取点，这样引起的误差相对较小。

6)裂隙顶、底部端点反射为双曲线，双曲线方程为

$\frac{{(t+d)}^2}{a}-\frac{{(x+c)}^2}{b}=1---\left(1\right)$

采用粒子群算法拟合步骤5)中的样点数据，得到裂隙端点反射双曲线方程中的a、b、c、d值。

7)读取雷达图像中横坐标最大值x_max，设定横坐标x区间[0，x_max]，求解出公式(1)中裂隙端点深度对应的反射走时t_min，单位：ns。

8)根据公式(2)计算出裂隙端点横坐标x_i，单位：m，i＝1或2。

$x_i=b\sqrt{\frac{{(t_{\min }+d)}^2}{a}-1}-c---\left(2\right)$

9)根据公式(3)计算出裂隙端点深度h：

$h=\frac{c\×t_{\min }}{2\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\×{10}^{-9}---\left(3\right)$

式中：c-电磁波在真空中的传播速度，3×10⁸m/s；

ε-胶结充填体的相对介电常数值；

10)根据步骤8)、9)分别计算出裂隙顶、底部端点坐标，顶部端点坐标为(x₁，h₁)，底部端点坐标为(x₂，h₂)，根据公式(4)和公式(5)计算出胶结充填体顶板裂隙长度L及与竖直方向夹角θ：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(h_2-h_1)}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{x_2-x_1}{h_2-h_1}\right)---\left(5\right)$

图2是胶结充填体顶板裂隙反射波形成原理图。图2上半部分为胶结充填体顶板中存在的一条裂隙，雷达天线沿充填体顶板表面移动，同时发射电磁波信号；电磁波到达裂隙顶、底部端点会产生反射，反射回来的能量被天线接收，形成一个反射信号，多次行走，雷达主机记录多次反射信号，如图2左下部分图形；记录的多次反射信号经雷达系统成像，形成裂隙反射曲线，如图2右下部分图像。

图3是雷达图像标尺刻度设定和取点图。利用getdata软件，打开jpg格式的雷达图像，设定标尺刻度，将图像中横纵坐标的数字分别填入对话框，建立横纵坐标系统。在操作菜单中选择数字化区域，实现对图像范围内数字化。打开网格显示，在图像中裂隙端点反射的曲线上取点，取点要求是在曲线同一纵向位置两侧分别取点(x，t)，且要求在图像清晰位置取点，由曲线底部逐渐取到顶部位置，尽可能的在曲线上部取点，这样引起的误差相对较小。

图4是裂隙长度和角度计算原理示意图，根据裂隙端点反射方程，分别计算出裂隙顶部端点坐标(x₁，h₁)和底部端点坐标(x₂，h₂)，根据平面内两点相对坐标的关系，计算出裂隙长度L和与竖直方向夹角θ。

实施例1

胶结充填体顶板模型长度为2m，深度为1m，在模型中间位置布置一条裂隙，设计深度为0.35m，竖直于模型表面。裂隙上端距模型表面0.05m，底部距模型表面0.4m，宽度为10mm，雷达天线探测频率设置为2000MHz，时窗64ns，采样点数1024，胶结充填体的介电常数值为6。模型示意图见图5，竖直裂隙雷达探测结果如图6所示。利用getdata软件打开图像，实行数字化处理，在反射双曲线两边对称取点，雷达图像数字化取点如图7所示，所取反射双曲线样点值见表1和表2。

表1竖直裂隙顶部端点反射曲线样点

表2竖直裂隙底部端点反射曲线样点

利用表1中的样点数据(x_i，t_i)，根据步骤6)，拟合出公式(1)中裂隙顶部端点反射双曲线方程参数a＝2192.9，b＝0.22669，c＝-1.007，d＝45.978；依据步骤7)读取雷达图像中横坐标最大值为2m，设定横坐标x区间[0，2]，求出裂隙顶部端点反射走时t_min＝0.8513ns；根据步骤8)计算出裂隙顶部端点横坐标x＝1.007m；根据步骤9)计算出裂隙顶部端点深度h＝0.0521m。

利用表2中的样点数据(x_i，t_i)，根据步骤6)，拟合出公式(1)中裂隙底部端点反射双曲线方程参数a＝295.0381，b＝0.4790，c＝-1.0140，d＝10.6240；依据步骤7)读取雷达图像中横坐标最大值为2m，设定横坐标x区间[0，2]，求出裂隙底部端点反射走时t_min＝6.5530ns；根据步骤8)计算出裂隙底部端点横坐标x＝1.0140m；根据步骤9)计算出裂隙底部端点深度h＝0.4013m。

竖直裂隙顶、底部反射拟合曲线见图8。竖直裂隙顶部端点坐标为(1.007，0.0521)，底部端点坐标为(1.0140，0.4013)，根据步骤10)计算出裂隙长度L＝0.3493m和与竖直方向夹角θ＝1.1484°，设计长度0.35m，长度误差0.02％，角度相差1.1484°。

实施例2

胶结充填体顶板模型长度为2m，深度为1m，在模型中间布置一条裂隙，设计深度为0.3m，倾斜角度为45°，则裂隙长度为0.424m，裂隙上端距模型表面0.05m，底部距模型表面0.35m，宽度为10mm，雷达天线探测频率设置为2000MHz，时窗64ns，采样点数1024，胶结充填体的介电常数值为6。模型示意图见图9，倾斜裂隙的雷达探测结果如图10所示。利用getdata软件打开图像，实行数字化处理，在反射双曲线两边对称取点，雷达图像数字化取点如图11所示，所取反射曲线样点见表3和表4。

表3倾斜裂隙顶部端点反射曲线样点

表4倾斜裂隙底部端点反射曲线样点

利用表3中的样点数据(x_i，t_i)，根据步骤6)，拟合出公式(1)中裂隙顶部端点反射双曲线方程参数a＝29922，b＝0.83728，c＝-0.82518，d＝172.2；依据步骤7)读取雷达图像中横坐标最大值为2m，设定横坐标x区间[0，2]，求出裂隙顶部端点反射走时t_min＝0.7822ns；根据步骤8)计算出裂隙顶部端点横坐标x＝0.82518m；根据步骤9)计算出裂隙顶部端点深度h＝0.0479m。

利用表4中的样点数据(x_i，t_i)，根据步骤6)，拟合出公式(1)中裂隙底部端点反射双曲线方程参数a＝3107.6，b＝1.2579，c＝-1.1831，d＝50；依据步骤7)读取雷达图像中横坐标最大值为2m，设定横坐标x区间[0，2]，求出裂隙底部端点反射走时t_min＝5.7461ns；根据步骤8)计算出裂隙底部端点横坐标x＝1.1831m；根据步骤9)计算出裂隙底部端点深度h＝0.3519m。

倾斜裂隙顶、底部反射拟合曲线见图12。倾斜裂隙顶部端点坐标为(0.82518，0.0479)，底部端点坐标为(1.1831，0.3519)，根据步骤10)计算出裂隙长度L＝0.4696m和与竖直方向夹角θ＝49.6570°，而实际长度为0.424m，角度为45°，长度误差10.75％，角度误差10.34％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种胶结充填体顶板裂隙状态无损探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据现场状况，在胶结充填体顶板表面布置一条或两条垂直于裂缝走向的测线，测线位置尽可能呈平面状，要求测线长度不小于1米，且裂缝位于测线中点，周围无金属反射性强的介质存在，如存在，则要了解金属物性质、大小、位置、埋深情况，同时在探测图像上进行标注，在后处理中剔除该反射；

2)雷达天线在裂缝一侧沿垂直于裂缝方向先增益，该操作使地质雷达探测系统自动记录用于雷达实时探测的信号滤波参数，场地发生变化时，重新进行增益；

3)测线一端作为起始位置，沿测线方向，采用连续采集方式，雷达天线紧贴胶结充填体顶板探测，在天线经过裂隙位置时，在探测图像上做标记，测试至终点结束，保存采集的数据文件；

4)利用雷达反射波信号后处理软件打开数据文件，对雷达数据进行去除直达波、背景去噪、滤波、增益分析处理，使电磁波在裂隙顶、底部端点处反射的双曲线波形更加清晰，标注横、纵坐标，横坐标为水平位置x，纵坐标为反射走时t；

5)导出jpg格式的雷达反射波形图像，使用软件getdata，打开图像文件，设定标尺刻度，在图像中根据横纵坐标设定刻度；利用getdata软件的点捕捉模式，在雷达图像中裂隙反射双曲线清晰明亮位置选点，软件工作区右侧会自动出现点的横、纵坐标，分别在双曲线左右两侧相同纵坐标t位置选择点，得到点的x坐标；

6)裂隙顶、底部端点反射为双曲线，双曲线方程为

$\frac{{(t+d)}^2}{a}-\frac{{\left(x+c\right)}^2}{b}=1---\left(1\right)$

采用粒子群算法拟合步骤5)中的样点数据，得到裂隙端点反射双曲线方程中的a、b、c、d值；

7)读取雷达图像中横坐标的最大值x_max，设定横坐标x区间[0，x_max]，求解出公式(1)中裂隙端点深度对应的反射走时t_min，单位：ns；

8)根据公式(2)计算出裂隙端点的横坐标x_i，单位：m，i＝1或2；

$x_i=\sqrt{b}\sqrt{\frac{{\left(t_{\min }+d\right)}^2}{a}-1}-c---\left(2\right)$

9)根据公式(3)计算出裂隙端点深度h：

$h=\frac{c\×t_{min}}{2\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\×{10}^{-9}---\left(3\right)$

式中：c-电磁波在真空中的传播速度，3×10⁸m/s；

ε-胶结充填体的相对介电常数值；

10)根据步骤8)、9)分别计算出裂隙顶、底部端点坐标，顶部端点坐标为(x₁，h₁)，底部端点坐标为(x₂，h₂)，根据公式(4)和公式(5)计算出胶结充填体顶板裂隙长度L及与竖直方向夹角θ：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(h_2-h_1)}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{x_2-x_1}{h_2-h_1}\right)---\left(5\right).$