一种基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法

本发明属于煤矿绿色填充开采，尤其涉及一种基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法。

背景技术：

1、地下煤层开采后，会在煤层上覆岩层中形成上三带，即垮落带、裂隙带和弯曲带，在弯曲带内部软硬岩石之间，且上位岩层抗弯刚度大于下位岩层时，常常会出现离层。

2、我国煤矿“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤较为普遍，采空区塌陷造成将导致地表沉陷，对地表生态环境和建筑设施将造成严重破坏。开采过程中采用离层注浆技术，通过地面钻孔对覆岩离层进行注浆充填，在离层内浆液沉淀形成充填体，同时压缩采空区破碎岩体形成压实区。通过联合控制覆岩关键层变形和破断，控制矿井地表沉陷。注浆浆液在进入离层空间后，以多种流动方式从注浆孔位置开始向远处流动，水流挟带粉煤灰并将其输送到离层空间的边缘。在注浆过程中，对浆液的填充厚度、影响半径、脱水沉淀情况的准确监测，都将优化注浆钻孔的施工和对矿井地表沉陷的效果。

3、因此，如何快速准确测定注浆工况成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，以解决传统的打钻测试方法，耗费大量的人力物力、效率精度低、无法完整获取注浆范围内数据的问题。

2、技术方案：本发明的基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，通过测定目标采空区注浆浆液的介电常数，结合无人机探地雷达对目标采空区探测获得的雷达响应图谱，计算得到目标采空区注浆的填充厚度和注浆钻孔的影响半径，包括如下步骤：

3、步骤1：测定目标采空区的注浆浆液在脱水过程中不同含水率阶段的各个介电常数，基于网络分析仪，得到不同脱水阶段下浆液的各个相对介电常数值；

4、步骤2：根据目标采空区离层的厚度范围所需的最小雷达的垂直分辨率，确定探地雷达的探测电磁波频率下限；

5、步骤3：利用无人机携带探地雷达对目标采空区离层注浆工作面在走向和倾向方向进行探测，得到探测雷达数据；

6、步骤4：对探测雷达数据进行预处理并提取雷达响应图谱；

7、步骤5：利用电磁波穿透目标采空区离层位置处的浆液界面，通过收集电磁波在离层位置处浆液界面的反射，结合雷达响应图谱，确定电磁波在浆液中的走时，根据电磁波的走时结合电磁波速度，确定注浆钻孔的影响半径；

8、步骤6：对于注浆压力处于稳定阶段的钻孔，通过注浆时间和注浆量确定浆液沉淀状态，代入相应浆液的相对介电常数值，计算注浆的填充厚度。

9、进一步的，步骤1中，通过n1501a-102同轴探头浸入注浆液中，测得介电常数。

10、进一步的，步骤2中，确定探地雷达的探测电磁波频率下限，公式如下：

11、

12、式中，εmin为浆液介电常数下限，f为电磁波频率，c为电磁波在真空中的传播速度，d为垂直最小可分辨层的厚度，即为离层平均厚度。

13、进一步的，步骤3具体包括：利用无人机携带探测范围达到离层深度的机载探地雷达对离层注浆工作面上方地面进行b-scan信号的探测，设置机载探地雷达以2-3m/s的速度和2-3m的飞行高度进行定速飞行；常规注浆钻孔位置位于采空区倾向中部地面，在走向上沿采空区注浆首注孔开始，垂直工作面向工作面所在位置进行探测，在倾向上分别沿注浆孔位平行工作面方向进行探测，探地雷达的入射波经离层界面的反射，信号被接受天线收集，其中接收天线可根据不同探测路线改变放置位置。

14、进一步的，步骤4具体包括：获取的探地雷达数据导入refelxw软件进行预处理，包括添加增益放大深层弱信号、剔除废道、背景去噪、去直流漂移及二维滤波，然后通过matgpr软件对其进行提取雷达响应图谱。

15、进一步的，步骤5中，通过以下公式计算填充体厚度：

16、

17、

18、式中，x为探地雷达天线分离距；t为记录双程反射时间；d为反射面埋深，v为电磁波波速；c为电磁波在空气中的传播速度(cm/ns)；ε为浆液的相对介电常数。

19、进一步的，步骤6具体包括：为确定注浆钻孔的有效控制半径及浆液覆盖区域，对倾向和走向的探测数据雷达图谱进行分析，基于浆液与围岩介质有明显不同的介电常数，雷达波在浆液影响区表现为强反射,在雷达图谱的水平方向上可判断出不同注浆钻孔的影响半径。

20、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

21、(1)本发明具有连续、快速、高效等优点，解决传统的打钻测试方法，耗费大量的人力物力、无法快速获取数据的问题。本发明可快速获取离层内浆液的流动分布及厚度，实现对覆岩离层注浆效果的快速获取，并实时改变注浆参数，更高效的指导填充开采的减沉目标。

22、(2)本发明能确定在中大尺度范围内能够快速、无损、连续、便捷地探测出离层注浆过程中浆液流动、沉降情况。

技术特征：

1.一种基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，通过测定目标采空区注浆浆液的介电常数，结合无人机探地雷达对目标采空区探测获得的雷达响应图谱，计算得到目标采空区注浆的填充厚度和注浆钻孔的影响半径，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，步骤1中，通过n1501a-102同轴探头浸入注浆液中，测得介电常数。

3.根据权利要求1所述基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，步骤2中，确定探地雷达的探测电磁波频率下限，公式如下：

4.根据权利要求1所述基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，步骤3具体包括：利用无人机携带探测范围达到离层深度的机载探地雷达对离层注浆工作面上方地面进行b-scan信号的探测，设置机载探地雷达以2-3m/s的速度和2-3m的飞行高度进行定速飞行；无人机探地雷达在走向上沿采空区注浆首注孔开始，垂直工作面向工作面所在位置进行探测，在倾向上分别沿注浆孔位平行工作面方向进行探测，探地雷达的入射波经离层界面的反射，信号被接受天线收集，其中接收天线可根据不同探测路线改变放置位置。

5.根据权利要求1所述基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，步骤4具体包括：获取的探地雷达数据导入refelxw软件进行预处理，包括添加增益放大深层弱信号、剔除废道、背景去噪、去直流漂移及二维滤波，然后通过matgpr软件对其进行提取雷达响应图谱。

6.根据权利要求1所述基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，步骤5中，通过以下公式计算填充体厚度：

7.根据权利要求1所述基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，其特征在于，步骤6具体包括：为确定注浆钻孔的有效控制半径及浆液覆盖区域，对倾向和走向的探测数据雷达图谱进行分析，基于浆液与围岩介质有明显不同的介电常数，雷达波在浆液影响区表现为强反射,在雷达图谱的水平方向上可判断出不同注浆钻孔的影响半径。

技术总结
本发明公开了一种基于无人机探地雷达探测离层注浆填充分布的方法，包括：1、测定不同脱水阶段浆液的相对介电常数；2、计算雷达的探测电磁波频率下限；3、对采空区走向和倾向方向进行探测；4、对探测雷达数据进行预处理并提取特征信息响应图；5、计算填充体厚度和注浆钻孔的影响半径。本发明可快速获取离层内浆液的流动分布及厚度，实现对覆岩离层注浆效果的快速获取，并实时改变注浆参数，更高效的指导填充开采的减沉目标。

技术研发人员：林柏泉,刘彦池,何佳壕,李彦君,沈扬
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14