地質雷達高精度探測技術在煤礦中的應用

郝麗生+王偉

摘 要：針對地質雷達在煤礦生產中的應用，介紹了地質雷達儀器的工作原理和系統結構，重點闡述了地質雷達數據處理和解釋原則。通過在煤礦的探測實例，概括總結了地質雷達技術在煤礦應用的優越性。

關鍵詞：地質雷達；礦山探測；數據處理

1地質雷達

1.1地質雷達簡介

地質雷達（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜（1MHz～2.5GHz）電磁波技術，是近年來一種新興的地下探測與混凝土建筑物無損探測的新技術，天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實時數據處理和信號增強的功能，可進行連續或單點透視掃描，現場實時顯示二維剖面[1]。

當雷達系統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介電差異較大的介質界面時，就會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成雷達掃描圖像，工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況。

實測時將雷達天線貼于被探測面，沿測線連續滑動（或定點探測），采用手動打標進行定位，根據系統配置和天線滑行速度設定空間采樣率，雷達主機實時記錄每個測點反射波的時間和振幅值，構成連續雷達剖面。當地下介質的波速已知時，根據所探測到的雙程旅行時，就可以求得目標體的位置和埋深。應用專業軟件，分析反射波同相軸的波形和波阻特征，就可以獲得探測面以下介質信息。地質雷達工作原理見圖1[2-7]。

雷達波在界面上的反射和透射遵循Snell定理。實際觀測時，由于發射天線與接收天線的距離很近（≤1m），所以其電場方向通常垂直入射平面，并近似看作法向入射，固反射系數γ可簡寫為：

式中，ε1r、ε2r分別為上、下層介質的相對介電常數。

由此可見，反射界面兩側的介質其物性參數差異越大，反射波的能量就越強。因此，只要探測的目標體與周圍介質之間存在介電常數的差異，就可以形成強的電磁波反射界面。

1.2地質雷達組成

實際應用的地質雷達主要由發射天線系統、接收天線系統、控制單元、微型計算機系統四部分組成。地質雷達系統結構圖如圖2所示。

2數據采集

2.1數據采集原理和過程

地質雷達是一種無載波雷達，它向目標或地下發射的是具有一定周期且持續時間極短的脈沖。為了提高距離分辨力，目前發射脈沖的持續時間一般是在零點幾至幾個納秒（ns）之間，因此這種雷達信號所占的帶寬一般為幾百至幾千兆赫。雷達主機端的采集軟件產生觸發信號，控制高頻屏蔽天線向地下發射電磁波，電磁波遇到不同分界面時發生反射，產生的發射波被接收天線接收，對該信號進行程控增益放大和A/D轉換，并將得到的數字化雷達反射波信號通過處理在采集軟件上顯示，同時將該數據進行存儲。

實際探測中，可根據現場實際情況靈活選用適當的觀測方式，經在多個煤礦的實際應用總結，目前使用較多的觀測方式有剖面法和寬角法兩種。

3數據處理及解釋

地質雷達數據處理包括預處理（標記和樁號校正等）和后處理分析，其目的在于壓制規則和隨機干擾，以盡可能高的分辨率在地質雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。

雷達數據處理是地質雷達最終成果解譯的重要步驟。常用的分析方法有常規濾波和其他濾波處理，主要工作有：零線設定；一維濾波；背景去噪；自動增益或手動增益控制；滑動平均等。其他濾波處理方法可結合具體探測情況進行選用，主要包括：小波變換；二維濾波；反褶積；數學運算等。地質雷達數據處理流程見圖3。

就雷達時間剖面分析而言，主要分析沿水平方向同一時間深度的雷達波橫向變化。對于常用材料，水的相對介電常數最大，空氣的最小，其它物質的介電常數介于二者之間。因此，當土體內出現病害時，其結構層構成組分的“固、液、氣”三相比也會發生相應變化，其相對介電常數的變化成為地質雷達方法探測地基缺陷的理論依據之一[8]。

4地質雷達在煤礦探測的應用實例

下邊是在山西某煤礦實際探測的應用案例。本次探測主要針對巷道掘進面進行超前預報，綜合探測要求和現場情況，在掘進面按“井”字型布設4條測線。測線布置情況見圖4所示。

本次探測工程采用了中國礦業大學（北京）自主研發的ZTR12系列本安型防爆地雷達系統。系統包括ZTR12-Z型主機、ZTR12-T型主頻為200MHz屏蔽天線和帶有屏蔽功能的高頻信號傳輸線纜?，F場探測時，人工托舉天線將天線與迎頭面貼合，然后沿著測線方向行進，通過預先噴好的里程標記進行定位。探測結果部分雷達剖面如下如所示：

5結語

煤礦井下環境相對比較惡劣，通過上述應用案例的分析，地質雷達系統能夠很好的滿足礦山安全生產的需要，其探測精度高、二維剖面清晰直觀，具有無損、可重復探測的特點，與其他大型物探設備相比更具有簡便快捷的優勢，非常適合煤礦井下的施工環境。隨著電子技術的發展，地質雷達技術的探測精度和探測效果將會進一步提高，應用范圍會進一步擴大，為工程建設和安全生產提供綿薄之力。

參考文獻

[1] 楊峰， 彭蘇萍. 地質雷達探測原理與方法研究[M]. 科學出版社， 2010.

[2] 李大心. 公路工程質量的探地雷達檢測技術[J]. 地球科學. 1996（06）.

[3] 夏常春. 地質雷達探測技術在煤礦的應用[J]. 山東煤炭科技. 2009（01）.

[4] 袁明德. 探地雷達探測地下管線的能力[J].物探與化探.2002（02）.

[5] 楊峰，著.地質雷達探測原理與方法研究[M]. 科學出版社， 2009.

[6] 曾提.地質雷達在探測南方巖溶地區堤壩隱患中的應用[J]. 地質與勘探. 1998（03）.

[7] 關建武，吳繼鋒. 探地雷達的應用條件[J]. 地下水. 2007（05）.

[8] 張金.地質雷達探測技術在煤礦區的應用[J]. 煤炭科學技術. 1994（06）.

作者簡介：郝麗生（1976- ），男，山西原平人，長期從事地質雷達儀器開發和應用技術方法研究。