基于探地雷达技术在煤矿浅部地层含水率计算中的应用

李世杰，裴圣良，林　朋

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.中国煤田地质总局勘察总院，北京100039）



基于探地雷达技术在煤矿浅部地层含水率计算中的应用

李世杰1，裴圣良2，林朋1

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.中国煤田地质总局勘察总院，北京100039）

摘要：针对西部煤矿过度开采造成的地质问题，以浅部地层为主要研究对象，采用探地雷达探测技术，利用电磁波在地下介质中传播规律，得到电磁波在浅部地层传播的速度。通过公式求出介质的介电常数，利用Topp公式实现浅部地层含水率的计算。通过理论数据和实测数据的统计和对比分析，验证了探地雷达方法测浅部地层含水率的准确性。

关键词：探地雷达；介电常数；含水率；土壤

中国西部大部分矿区的大型机械化综采造成矿区较为明显的地面塌陷和地表裂缝。地面下沉导致地表对松散层空隙结构及含水率的变化，地表裂隙影响植物根系土壤含水分布。为了防止矿区的土地沙漠化，提高植被的存活率，利用探地雷达技术手段掌握煤炭开采后对浅部地层含水率的影响，对矿区生态环境恢复具有重要意义[1]。

探地雷达作为一种新型的浅部探测技术，在土壤含水率测定上得到广泛应用。国内外对探地雷达探测土壤含水率方法上进行了大量的研究。Huisman J A, SperlC.et al.利用地面波的天线分离法测定表层土壤含水率[2]；Dannowaki G，Yaramanci U.利用反射波法测定波速中波速进而求得反射层和地表之间的含水率[3]。Tomer等利用探地雷达探测细砂质的沉积薄层含水率变化引起探地雷达的强烈反射[4]。Charlton发现雷达波的最大振幅和土壤含水率之间的关系[5]。Parkin等比较了探地雷达和TDR（Time Domain Refletrometry）测定的含水率的精度[6]。本文利用雷达波反射波的方法，找出浅部地层介电常数最好的雷达振幅包络平均值反推地层介电常数，计算出地层含水率。该方法和实际取样测量含水率方法作对比，表明雷达探测含水率与实测含水率有着高的相关性，验证了雷达测含水率的准确性[7]。

1　探地雷达探测的原理及方法

探地雷达是采用中心频率在10 MHz～2 500 MHz范围的高频电磁波探测地下电磁探测技术。探地雷达探测通常采用一对天线进行工作。由发射天线向地下介质中发射一定中心频率的电磁脉冲波，电磁脉冲波在地下介质中传播时，遇到介质中的电磁性(电阻率、介电常数及磁导率)差异分界面会发生反射、透射和折射，被反射和折射的电磁波传回地表，由接收天线接收，而其中一部分电磁波经自由界面或空气直接传播到接收天线，见图1。接收天线所接收的信号经过处理转换成时间序列信号，每一测点上的这种时间序列即构成该测点的雷达波形记录道，它包含该测点处所接收到的雷达波的幅度、相位和双程走时等信息[8]。

图1　探地雷达在介质中传播示意图

土壤和岩石为非导磁性介质,雷达信号速度在低衰减介质中可近似表示为：

式中：c为真空中电磁波速度，m/s，εr为相对介电常数。

土壤中含水率发生变化，导电率及介电常数发生相应变化，影响电磁波的速度产生较大改变。土壤中含水率发生变化，导电率和介电常数也发生较大变化，为描述土壤和含水率之间关系，利用Topp公式得出土壤含水率：

式中：θ为土壤含水率；ε已为相对介电常数，Topp公式一般适用于质地较粗的土壤[9]。

探地雷达探测方式主要有剖面法、多次叠加法、宽角法等。介质速度的求取常用宽角法，雷达波传播时，当地下介质的介电常数发生变化时，一部分能量就会发生反射，并在雷达剖面上反映出来。如果在宽角法测量中可以追踪到连续的反射波，则可以直接通过下式计算出雷达波在介质中的速度：

式中：Vsoil为雷达波在土壤中的平均速度，m/s；d为反射界面的深度，m；a为天线距离，m；trw，x为反射波到达时间，s。

从宽角法测量中获得的一般是到达反射层的平均速度，应用迪克斯(Dix)公式，可将平均速度转化成层速度：

式中：Vsoil，n为雷达波在第n个反射层以上介质中的平均速度，m/s；trw，n为雷达波到达第n个反射层的双程旅行时间，s；Vsoil，n-1为雷达波在第n-1个反射层以上介质中的平均速度，m/s；trw，n-1为雷达波到达第n-1个反射层的双程旅行时间，s。再利用公式计算出介电常数。

实际影响电磁波在土壤介质中传播时的因素较多，有介电常数、电导率、磁导率等。但是在电磁场作用下产生传导电流造成电磁波的损耗和衰减，电导率一般只考虑电磁波的损耗和衰减，在低频的情况下会影响速度，电导率可不作考虑。对于介质磁导率，在土壤绝大多数介质中，介质磁性的变化相对较小，因此可以忽略。

2　探地雷达在煤矿含水率探测的应用

为验证探地雷达技术在含水率测量中的准确性，以西部煤矿区的一个工作面为例。工作面布置平行工作面方向测线11条（D1-D11），每条900 m，布置垂直工作面方向测线（D12-D15）共4条，每条1 100 m。并根据工作面及相邻工作面的开采工期，对设计测区进行4次动态观测，观测系统见图2。

图2　观测系统布置图

采用宽角法连续探测的方式采集数据。雷达数据采集后，对雷达数据处理影响着速度的拾取。探地雷达的数据需要进行预处理即背景噪声处理设计、增益处理设计、一维滤波处理设计、小波变换处理设计等。背景噪声计算由对背景道范围求取均值运算得出，对仪器本身或耦合差异引起的噪声有着更好的效果。一维滤波采用高斯滤波方式进行，压制干扰信号，突出有效信号，提高信噪比。经过雷达数据的预处理得到如下的雷达数据成果，见图3。

图3　雷达数据处理成果图

为了探究雷达在浅部地层含水率的应用，开挖了一段4 m×1.6 m的剖面，从左到右依次为1到9号点，图中有三层明显的含水层，对每一层分别计算含水率，从雷达图像中读取电磁波到达的时间，再结合钻孔柱图读取该点深度，求得波速，利用式（1）求取出该点的介电常数，再通过Topp公式计算出每一点含水率。雷达数据成果得到的三层含水率处理数据，如表1、2、3所示。

表1　第一层含水率雷达处理数据

表2　第二层含水率雷达处理数据

表3　第三层含水率雷达处理数据

为了验证探地雷达探测含水率的准确性，选取该剖面用烘干法测量含水率。烘干法是测定土壤含水率最常用的一种方法，简单易行，准确度高，也是检验其他方法的基础。本次采用近似深度对比法，雷达数据上测得的0.10 m～0.30 m的数据与钻孔数据上0.2 m的数据进行对比；0.30 m～0.50 m的与0.4 m的对比；0.50 m～0.70 m的与0.6 m的对比；0.70 m～0.90 m的与0.8 m的对比；0.90 m～1.10 m的与1.0 m的对比。对比结果见图4，其二者的相关系数为0.707 45，具有较高的相关性，说明探地雷达在探测煤矿浅层含水率中的应用有一定的准确性。

图4　雷达与烘干法测量含水率数据对比图

3　结论

通过探地雷达技术在煤矿浅部土壤含水率的应用，发现探地雷达方法测量土壤含水率适合大面积测量，具有探测快速、效率高、结果直观等特点。探地雷达的图像和数据处理技术对于雷达成像结果以及速度的拾取非常重要。采用探地雷达技术测的含水率的方法和实际取样方法比较，验证探地雷达法的准确性，在土壤含水率方法测定上具有很大潜力。探地雷达方法在煤矿含水率测定为开采后的煤矿生态恢复提供借鉴。

参考文献：

[1]丁志平.煤炭开发对矿山环境的破坏与治理[J].国土资源，2005（9）:32- 33.

[2] HUISMAN J A，SPERL C，etal.Soil water content measurements at different scales;accuracy of time domain reflectometry and ground penetratingradar[J]. J. Hydrol，2001，245（1）：48- 58.

[3] DANNOWAKI G，YARAMANCI U. Estimation ofwater content and porosityusingcombined radar and geoelectrics[J].Eur. J. Environ.engng. Geophys，1999，4（1）：71- 85.

[4] TOMER MD，BOLLJ，etal.Detectingilluvial lamellae in fine sand usingground penetratingradar[J].Soil Sci，1996，161（2）：121- 129.

[5] CHARLTON M.Small scale soil- moisture variability estimated using ground penetrating radar. Extended abstract [A].In；Proceedings of the Eighth International Conference on Ground Penetrating Radar，Gold Coast，Australia，2000（5）：23- 26.

[6] CHANZY A，TARUSSOV A，etal. Soil water content determination using a digital ground penetrating radar [J]. Soil Sci，1996，60（5）：1318- 1326.

[7]时新玲，王国栋.土壤含水量测定方法研究进展[J].中国农村水利水电，2003（10）:84- 86.

[8]吴志远，彭苏萍，杜文凤，等.基于探地雷达波振幅包络平均值确定土壤含水率[J].农业工程学报，2015，31（12）:158- 164.

[9]朱安宁，吉丽青，张佳宝，等.不同类型土壤介电常数与体积含水量经验关系研究[J].土壤学报，2011，48（2）:263- 268.

[10]何亮，王旭东，杨放，等.探地雷达测定土壤含水量的研究进展[J].地球物理学进展，2007，22（5）:1673- 1678.

（编辑：樊敏）

Application of Ground Penetrating Radar in Detecting Moisture Content in Shallow Strata in Mines

LI Shijie1, PEI Shengliang2, LIN Peng1
(1. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China; 2. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China)

Abstract:Shallowground as the major studyobject, ground penetratingradar technology was used to solve the geological problems caused byoverexploitation in western China. Based on the propagation lawof electromagnetic wave in subsurface, its propagation velocitywas obtained. Dielectric constant was obtained by formula and moisture content calculation was achieved in shallow strata with Topp formula. The calculation and comparison of theoretical data and testing data verified the accuracy of the ground penetrating radar technology in the calculation of the moisture content in the shallowground.

Keywords:ground penetratingradar; dielectric constant; moisture content; soil

作者简介：李世杰（1991-），男，河南安阳人，硕士研究生，从事地球物理探测理论与方法的研究。

收稿日期：2015- 11- 03

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.010

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0031- 04

中图分类号：TP631

文献标识码:A