膠結(jié)尾砂充填體裂縫探地雷達(dá)響應(yīng)特征研究

何文 ，李謹(jǐn) ，謝勇 ，劉賢俊 ，劉浩 ，高忠

（1.江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，南昌 330000）

0 引 言

下向分層充填采礦法是指在一個(gè)階段內(nèi)自上而下分層回采、分層充填，以巷道掘進(jìn)的方式在分層膠結(jié)充填體為人工假頂?shù)谋Ｗo(hù)下進(jìn)行作業(yè)的回采方法[1].人工假頂可視為簡支梁，根據(jù)簡支梁理論，充填體的破壞主要是承載層下表面所受的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度[2].相關(guān)學(xué)者對膠結(jié)充填體受力特性進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[3]研究了充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度的降低是由于試樣內(nèi)部的拉伸破壞造成的；文獻(xiàn)[4]研究了單軸壓縮下膠結(jié)充填體試件損傷破壞是通過逐步擴(kuò)展的裂縫而發(fā)生的；文獻(xiàn)[5]通過相似模擬試驗(yàn)得出，充填體頂板破壞總是先在頂板中部出現(xiàn)沿回采方向的裂縫，然后才發(fā)生冒落.當(dāng)下向分層膠結(jié)充填體人工假頂因所受的拉應(yīng)力超過了其抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)裂縫，并且隨著開采的進(jìn)行而擴(kuò)展，造成膠結(jié)充填體頂板不穩(wěn)定或引起破壞，存在著潛在的頂板冒落危險(xiǎn)，影響著井下人員的作業(yè)安全，文獻(xiàn)[6]通過數(shù)值模擬對比分析了充填體含不同裂隙條件下頂板的穩(wěn)定性，并提出了合理的支護(hù)措施.因此需要對膠結(jié)充填體裂縫進(jìn)行探測，實(shí)時(shí)掌握裂隙狀態(tài)及發(fā)育情況，并采取相應(yīng)的措施保障安全生產(chǎn).

現(xiàn)有的無損探測方法中，探地雷達(dá)是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種探測方法，因其具有高分辨率、高效、無損探測、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，已被廣泛地應(yīng)用在市政工程、考古探測、地質(zhì)與水文地質(zhì)探測、地下設(shè)施確定等領(lǐng)域[8-10].而關(guān)于下向分層膠結(jié)充填法中人工假頂中裂縫的無損探測，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，也需要探索研究.

本文首先研究單一均勻膠結(jié)尾砂充填體中裂縫的雷達(dá)響應(yīng)正演特征，其次分析了多層介質(zhì)中裂縫的雷達(dá)響應(yīng)正演特征，最后研究了室內(nèi)模型中裂縫雷達(dá)響應(yīng)特征.本研究有助于了解膠結(jié)尾砂充填體中裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征，為現(xiàn)場探測及數(shù)據(jù)判讀提供支持.

1 裂縫的正演模擬

本次正演模擬采用MATGPR軟件，該軟件是由雅典大學(xué)開發(fā)的一款可用于分析和解釋探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的開源程序包，同時(shí)該程序包提供探地雷達(dá)的正演模擬研究，正演模擬采用時(shí)域有限差分法（FDTD），能夠模擬復(fù)雜地質(zhì)模型的雷達(dá)響應(yīng)特征[11-13].

1.1 單一均勻介質(zhì)中裂縫

1）不同水平位置裂縫.本次正演模擬目的是研究在單一均勻介質(zhì)條件下，不同水平位置垂直裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征.正演模擬區(qū)域4 m×1 m，膠結(jié)尾砂的相對介電常數(shù)為10.9，裂縫中填充的空氣相對介電常數(shù)為1.模擬區(qū)域的天線中心頻率為1 500 MHz.垂直裂縫的寬度為1 cm，深度為0.5 m；裂縫的水平位置依次為1 m、2 m和3 m，不同水平位置裂縫的模型圖如圖1.

圖1 不同水平位置裂縫模型圖

不同水平位置裂縫的模型正演結(jié)果見圖2，由圖2可知：垂直裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征表現(xiàn)為對應(yīng)裂縫頂、底端點(diǎn)的繞射雙曲線，且裂縫底端的繞射雙曲線兩翼比裂縫頂端的繞射雙曲線平緩.不同水平位置的裂縫，裂縫的雷達(dá)波繞射雙曲線一致，只是繞射雙曲線的位置隨著裂縫水平位置的變動(dòng)而相應(yīng)的平移，說明在相同條件下，裂縫的水平位置不影響裂縫繞射雙曲線兩翼的陡峭程度.

圖2 不同水平位置裂縫正演結(jié)果圖

2）不同深度垂直裂縫.本次正演模擬目的是研究在單一均勻介質(zhì)條件下，不同深度垂直裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征.正演模擬區(qū)域4 m×1 m，膠結(jié)尾砂的相對介電常數(shù)為10.9，裂縫中填充的空氣相對介電常數(shù)為1.模擬區(qū)域的天線中心頻率為1 200 MHz.垂直裂縫的寬度為1 cm，深度依次為0.2 m、0.4 m和0.8 m，不同深度垂直裂縫的模型圖如圖3.

不同深度垂直裂縫的正演模擬結(jié)果見圖4.不同深度垂直裂縫雷達(dá)響應(yīng)特征表現(xiàn)為隨著裂縫深度的增加，裂縫底端繞射雙曲線隨之下移.在其他相同條件下，裂縫的深度越深，裂縫底端的繞射雙曲線變的越平緩，這說明裂縫深度影響著裂縫繞射雙曲線陡峭程度.

3）不同角度裂縫.本次正演模擬目的是驗(yàn)證在同一介質(zhì)條件下，不同角度裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征.正演模擬區(qū)域5 m×1 m，膠結(jié)尾砂的相對介電常數(shù)為10.9，裂縫中填充的空氣相對介電常數(shù)為1，模擬區(qū)域的天線中心頻率為1 200 MHz，裂縫的寬度為1 cm，裂縫的深度依次為1.0 m、0.7 m、0.5 m；與豎直方向的夾角分別為 0°、20°、60°，不同角度模型圖如圖 5.

不同角度裂縫模型正演結(jié)果見圖6.由正演結(jié)果可知：傾斜裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征表現(xiàn)為沿裂縫傾斜方向形成一系列繞射雙曲線，繞射雙曲線始于裂縫頂端，終止于裂縫底端.不同角度裂縫雷達(dá)響應(yīng)不同，表現(xiàn)在裂縫一側(cè)的繞射雙曲線疊加不同，隨著裂縫與模型表面的夾角變小，60°裂縫比20°裂縫的繞射雙曲線明顯，更易識別.同時(shí)裂縫深度影響著傾斜裂縫的繞射雙曲線陡峭程度，對比3個(gè)角度的裂縫，隨著裂縫深度的增加，正演結(jié)果圖6中的繞射雙曲線兩翼逐漸變緩，如60°裂縫底端繞射雙曲線比20°裂縫繞射雙曲線平緩，因此，裂縫深度影響著裂縫繞射雙曲線兩翼的陡峭程度.

圖3 不同深度垂直裂縫模型圖

圖4 不同深度垂直裂縫正演結(jié)果圖

圖5 不同角度裂縫模型圖

圖6 不同角度傾斜裂縫正演結(jié)果圖

1.2 多層介質(zhì)中裂縫

本次正演模擬目的是驗(yàn)證在多層介質(zhì)條件下，裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征.正演模擬區(qū)域2 m×1 m，正演模擬區(qū)域的分層介質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為10.5和10.9，裂縫中填充的空氣相對介電常數(shù)為1，模擬區(qū)域的天線中心頻率為1 500 MHz，裂縫的寬度為1 cm，垂直的裂縫深度為0.4 m，傾斜裂縫的深度為0.4 m，與豎直方向的夾角為30°，多層介質(zhì)中裂縫模型圖如圖7.

多層介質(zhì)中裂縫正演模擬結(jié)果圖見圖8.在多層介質(zhì)中垂直裂縫雷達(dá)響應(yīng)特征表現(xiàn)為垂直裂縫頂、底端對應(yīng)的繞射雙曲線；與單一介質(zhì)中表現(xiàn)不同的是在多層介質(zhì)中，裂縫底端的繞射雙曲線頂點(diǎn)附近出現(xiàn)部分信號失真，繞射雙曲線不完整；同時(shí)在多層介質(zhì)分界面處有微小的繞射雙曲線，相對于垂直裂縫頂、底端繞射雙曲線，介質(zhì)分界面處的繞射雙曲線信號較弱，垂直裂縫正演結(jié)果圖見圖8（a）.傾斜裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征表現(xiàn)為沿裂縫傾斜方向形成一系列的繞射雙曲線，繞射雙曲線在裂縫的一側(cè)疊加形成近似直線的亮線；與單一介質(zhì)中表現(xiàn)不同的是該傾斜裂縫在裂縫左側(cè)的繞射雙曲線出現(xiàn)部分不完整，傾斜裂縫正演結(jié)果圖見圖8（b）.

圖7 多層介質(zhì)中裂縫模型圖

圖8 多層介質(zhì)中裂縫正演結(jié)果圖

2 室內(nèi)試驗(yàn)

在室內(nèi)制作了一個(gè)灰砂比為1∶4的膠結(jié)分級尾砂充填體模型，模型幾何尺寸為長×寬×高=100 cm×50 cm×40 cm，模型材料均取自某銅礦下向分層充填現(xiàn)場，按照現(xiàn)場工藝，逐層充填.在模型中央布置垂直裂縫1條，裂縫寬度為1 cm，裂縫深度為0.2 m，該裂縫模型見圖9.

圖9 室內(nèi)裂縫模型圖

采用1 500 MHz頻率天線沿模型表面行進(jìn)，探測數(shù)據(jù)直達(dá)波去除、濾波和增益處理后得到室內(nèi)裂縫探測結(jié)果圖，見圖10.從圖10中可以看出在0.4 m位置處沿豎直方向有一系列的繞射曲線突起，繞射雙曲線始于裂縫頂端，終止于裂縫底端.分析垂直裂縫在豎直方向出現(xiàn)的一系列繞射雙曲線，是由于充填體逐層充填，造成存在介質(zhì)分層，分層介質(zhì)之間的相對介電常數(shù)存在微小變化造成的.探測結(jié)果表明探地雷達(dá)能夠識別膠結(jié)尾砂充填體中的裂縫.

圖10 室內(nèi)裂縫探測結(jié)果圖

3 結(jié) 論

1）對單一介質(zhì)中不同狀態(tài)裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征進(jìn)行了正演研究，垂直裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征表現(xiàn)為裂縫頂、底端對應(yīng)的繞射雙曲線，傾斜裂縫是沿著裂縫傾斜方向的一系列繞射雙曲線；裂縫的水平位置不影響裂縫繞射雙曲線兩翼陡峭程度，裂縫深度影響著繞射雙曲線兩翼陡峭程度，裂縫深度越深，繞射雙曲線兩翼越平緩.

2）對多層介質(zhì)中裂縫的雷達(dá)響應(yīng)特征進(jìn)行了正演研究，與單一介質(zhì)中不同的是垂直裂縫底端的繞射雙曲線頂點(diǎn)附近出現(xiàn)部分信號失真，繞射雙曲線不完整；同時(shí)在多層介質(zhì)分界面處有微小的繞射雙曲線，相對于垂直裂縫頂、底端繞射雙曲線，介質(zhì)分界面處的繞射雙曲線信號較弱.傾斜裂縫在裂縫左側(cè)的繞射雙曲線出現(xiàn)部分不完整.

3）制作了室內(nèi)垂直裂縫模型，探測結(jié)果為沿垂直方向一系列的繞射雙曲線，這是由于充填體逐層充填存在介質(zhì)分層而造成的.

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