郝麗生+王偉

摘 要：針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用，介紹了地質(zhì)雷達(dá)儀器的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和解釋原則。通過在煤礦的探測(cè)實(shí)例，概括總結(jié)了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在煤礦應(yīng)用的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；礦山探測(cè)；數(shù)據(jù)處理

1地質(zhì)雷達(dá)

1.1地質(zhì)雷達(dá)簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar簡(jiǎn)稱GPR）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～2.5GHz）電磁波技術(shù)，是近年來一種新興的地下探測(cè)與混凝土建筑物無損探測(cè)的新技術(shù)，天線屏蔽干擾小，探測(cè)范圍廣，分辨率高，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)增強(qiáng)的功能，可進(jìn)行連續(xù)或單點(diǎn)透視掃描，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示二維剖面[1]。

當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)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(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過信號(hào)技術(shù)處理，形成雷達(dá)掃描圖像，工程技術(shù)人員通過對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。

實(shí)測(cè)時(shí)將雷達(dá)天線貼于被探測(cè)面，沿測(cè)線連續(xù)滑動(dòng)（或定點(diǎn)探測(cè)），采用手動(dòng)打標(biāo)進(jìn)行定位，根據(jù)系統(tǒng)配置和天線滑行速度設(shè)定空間采樣率，雷達(dá)主機(jī)實(shí)時(shí)記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)反射波的時(shí)間和振幅值，構(gòu)成連續(xù)雷達(dá)剖面。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時(shí)，根據(jù)所探測(cè)到的雙程旅行時(shí)，就可以求得目標(biāo)體的位置和埋深。應(yīng)用專業(yè)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(cè)面以下介質(zhì)信息。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖1[2-7]。

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

式中，ε1r、ε2r分別為上、下層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由此可見，反射界面兩側(cè)的介質(zhì)其物性參數(shù)差異越大，反射波的能量就越強(qiáng)。因此，只要探測(cè)的目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間存在介電常數(shù)的差異，就可以形成強(qiáng)的電磁波反射界面。

1.2地質(zhì)雷達(dá)組成

實(shí)際應(yīng)用的地質(zhì)雷達(dá)主要由發(fā)射天線系統(tǒng)、接收天線系統(tǒng)、控制單元、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)四部分組成。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2數(shù)據(jù)采集

2.1數(shù)據(jù)采集原理和過程

地質(zhì)雷達(dá)是一種無載波雷達(dá)，它向目標(biāo)或地下發(fā)射的是具有一定周期且持續(xù)時(shí)間極短的脈沖。為了提高距離分辨力，目前發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間一般是在零點(diǎn)幾至幾個(gè)納秒（ns）之間，因此這種雷達(dá)信號(hào)所占的帶寬一般為幾百至幾千兆赫。雷達(dá)主機(jī)端的采集軟件產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，控制高頻屏蔽天線向地下發(fā)射電磁波，電磁波遇到不同分界面時(shí)發(fā)生反射，產(chǎn)生的發(fā)射波被接收天線接收，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行程控增益放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字化雷達(dá)反射波信號(hào)通過處理在采集軟件上顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

實(shí)際探測(cè)中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活選用適當(dāng)?shù)挠^測(cè)方式，經(jīng)在多個(gè)煤礦的實(shí)際應(yīng)用總結(jié)，目前使用較多的觀測(cè)方式有剖面法和寬角法兩種。

3數(shù)據(jù)處理及解釋

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理（標(biāo)記和樁號(hào)校正等）和后處理分析，其目的在于壓制規(guī)則和隨機(jī)干擾，以盡可能高的分辨率在地質(zhì)雷達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)處理是地質(zhì)雷達(dá)最終成果解譯的重要步驟。常用的分析方法有常規(guī)濾波和其他濾波處理，主要工作有：零線設(shè)定；一維濾波；背景去噪；自動(dòng)增益或手動(dòng)增益控制；滑動(dòng)平均等。其他濾波處理方法可結(jié)合具體探測(cè)情況進(jìn)行選用，主要包括：小波變換；二維濾波；反褶積；數(shù)學(xué)運(yùn)算等。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

就雷達(dá)時(shí)間剖面分析而言，主要分析沿水平方向同一時(shí)間深度的雷達(dá)波橫向變化。對(duì)于常用材料，水的相對(duì)介電常數(shù)最大，空氣的最小，其它物質(zhì)的介電常數(shù)介于二者之間。因此，當(dāng)土體內(nèi)出現(xiàn)病害時(shí)，其結(jié)構(gòu)層構(gòu)成組分的“固、液、氣”三相比也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，其相對(duì)介電常數(shù)的變化成為地質(zhì)雷達(dá)方法探測(cè)地基缺陷的理論依據(jù)之一[8]。

4地質(zhì)雷達(dá)在煤礦探測(cè)的應(yīng)用實(shí)例

下邊是在山西某煤礦實(shí)際探測(cè)的應(yīng)用案例。本次探測(cè)主要針對(duì)巷道掘進(jìn)面進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，綜合探測(cè)要求和現(xiàn)場(chǎng)情況，在掘進(jìn)面按“井”字型布設(shè)4條測(cè)線。測(cè)線布置情況見圖4所示。

本次探測(cè)工程采用了中國礦業(yè)大學(xué)（北京）自主研發(fā)的ZTR12系列本安型防爆地雷達(dá)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括ZTR12-Z型主機(jī)、ZTR12-T型主頻為200MHz屏蔽天線和帶有屏蔽功能的高頻信號(hào)傳輸線纜?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，人工托舉天線將天線與迎頭面貼合，然后沿著測(cè)線方向行進(jìn)，通過預(yù)先噴好的里程標(biāo)記進(jìn)行定位。探測(cè)結(jié)果部分雷達(dá)剖面如下如所示：

5結(jié)語

煤礦井下環(huán)境相對(duì)比較惡劣，通過上述應(yīng)用案例的分析，地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)能夠很好的滿足礦山安全生產(chǎn)的需要，其探測(cè)精度高、二維剖面清晰直觀，具有無損、可重復(fù)探測(cè)的特點(diǎn)，與其他大型物探設(shè)備相比更具有簡(jiǎn)便快捷的優(yōu)勢(shì)，非常適合煤礦井下的施工環(huán)境。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)精度和探測(cè)效果將會(huì)進(jìn)一步提高，應(yīng)用范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，為工程建設(shè)和安全生產(chǎn)提供綿薄之力。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊峰， 彭蘇萍. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究[M]. 科學(xué)出版社， 2010.

[2] 李大心. 公路工程質(zhì)量的探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)[J]. 地球科學(xué). 1996（06）.

[3] 夏常春. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用[J]. 山東煤炭科技. 2009（01）.

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

[5] 楊峰，著.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究[M]. 科學(xué)出版社， 2009.

[6] 曾提.地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)南方巖溶地區(qū)堤壩隱患中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)與勘探. 1998（03）.

[7] 關(guān)建武，吳繼鋒. 探地雷達(dá)的應(yīng)用條件[J]. 地下水. 2007（05）.

[8] 張金.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在煤礦區(qū)的應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù). 1994（06）.

作者簡(jiǎn)介：郝麗生（1976- ），男，山西原平人，長期從事地質(zhì)雷達(dá)儀器開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)方法研究。