地质雷达高精度探测技术在煤矿中的应用

郝丽生+王伟

摘 要：针对地质雷达在煤矿生产中的应用，介绍了地质雷达仪器的工作原理和系统结构，重点阐述了地质雷达数据处理和解释原则。通过在煤矿的探测实例，概括总结了地质雷达技术在煤矿应用的优越性。

关键词：地质雷达；矿山探测；数据处理

1地质雷达

1.1地质雷达简介

地质雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～2.5GHz）电磁波技术，是近年来一种新兴的地下探测与混凝土建筑物无损探测的新技术，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强的功能，可进行连续或单点透视扫描，现场实时显示二维剖面[1]。

当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成雷达扫描图像，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。

实测时将雷达天线贴于被探测面，沿测线连续滑动（或定点探测），采用手动打标进行定位，根据系统配置和天线滑行速度设定空间采样率，雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值，构成连续雷达剖面。当地下介质的波速已知时，根据所探测到的双程旅行时，就可以求得目标体的位置和埋深。应用专业软件，分析反射波同相轴的波形和波阻特征，就可以获得探测面以下介质信息。地质雷达工作原理见图1[2-7]。

雷达波在界面上的反射和透射遵循Snell定理。实际观测时，由于发射天线与接收天线的距离很近（≤1m），所以其电场方向通常垂直入射平面，并近似看作法向入射，固反射系数γ可简写为：

式中，ε1r、ε2r分别为上、下层介质的相对介电常数。

由此可见，反射界面两侧的介质其物性参数差异越大，反射波的能量就越强。因此，只要探测的目标体与周围介质之间存在介电常数的差异，就可以形成强的电磁波反射界面。

1.2地质雷达组成

实际应用的地质雷达主要由发射天线系统、接收天线系统、控制单元、微型计算机系统四部分组成。地质雷达系统结构图如图2所示。

2数据采集

2.1数据采集原理和过程

地质雷达是一种无载波雷达，它向目标或地下发射的是具有一定周期且持续时间极短的脉冲。为了提高距离分辨力，目前发射脉冲的持续时间一般是在零点几至几个纳秒（ns）之间，因此这种雷达信号所占的带宽一般为几百至几千兆赫。雷达主机端的采集软件产生触发信号，控制高频屏蔽天线向地下发射电磁波，电磁波遇到不同分界面时发生反射，产生的发射波被接收天线接收，对该信号进行程控增益放大和A/D转换，并将得到的数字化雷达反射波信号通过处理在采集软件上显示，同时将该数据进行存储。

实际探测中，可根据现场实际情况灵活选用适当的观测方式，经在多个煤矿的实际应用总结，目前使用较多的观测方式有剖面法和宽角法两种。

3数据处理及解释

地质雷达数据处理包括预处理（标记和桩号校正等）和后处理分析，其目的在于压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释。

雷达数据处理是地质雷达最终成果解译的重要步骤。常用的分析方法有常规滤波和其他滤波处理，主要工作有：零线设定；一维滤波；背景去噪；自动增益或手动增益控制；滑动平均等。其他滤波处理方法可结合具体探测情况进行选用，主要包括：小波变换；二维滤波；反褶积；数学运算等。地质雷达数据处理流程见图3。

就雷达时间剖面分析而言，主要分析沿水平方向同一时间深度的雷达波横向变化。对于常用材料，水的相对介电常数最大，空气的最小，其它物质的介电常数介于二者之间。因此，当土体内出现病害时，其结构层构成组分的“固、液、气”三相比也会发生相应变化，其相对介电常数的变化成为地质雷达方法探测地基缺陷的理论依据之一[8]。

4地质雷达在煤矿探测的应用实例

下边是在山西某煤矿实际探测的应用案例。本次探测主要针对巷道掘进面进行超前预报，综合探测要求和现场情况，在掘进面按“井”字型布设4条测线。测线布置情况见图4所示。

本次探测工程采用了中国矿业大学（北京）自主研发的ZTR12系列本安型防爆地雷达系统。系统包括ZTR12-Z型主机、ZTR12-T型主频为200MHz屏蔽天线和带有屏蔽功能的高频信号传输线缆。现场探测时，人工托举天线将天线与迎头面贴合，然后沿着测线方向行进，通过预先喷好的里程标记进行定位。探测结果部分雷达剖面如下如所示：

5结语

煤矿井下环境相对比较恶劣，通过上述应用案例的分析，地质雷达系统能够很好的满足矿山安全生产的需要，其探测精度高、二维剖面清晰直观，具有无损、可重复探测的特点，与其他大型物探设备相比更具有简便快捷的优势，非常适合煤矿井下的施工环境。随着电子技术的发展，地质雷达技术的探测精度和探测效果将会进一步提高，应用范围会进一步扩大，为工程建设和安全生产提供绵薄之力。

参考文献

[1] 杨峰， 彭苏萍. 地质雷达探测原理与方法研究[M]. 科学出版社， 2010.

[2] 李大心. 公路工程质量的探地雷达检测技术[J]. 地球科学. 1996（06）.

[3] 夏常春. 地质雷达探测技术在煤矿的应用[J]. 山东煤炭科技. 2009（01）.

[4] 袁明德. 探地雷达探测地下管线的能力[J].物探与化探.2002（02）.

[5] 杨峰，著.地质雷达探测原理与方法研究[M]. 科学出版社， 2009.

[6] 曾提.地质雷达在探测南方岩溶地区堤坝隐患中的应用[J]. 地质与勘探. 1998（03）.

[7] 关建武，吴继锋. 探地雷达的应用条件[J]. 地下水. 2007（05）.

[8] 张金.地质雷达探测技术在煤矿区的应用[J]. 煤炭科学技术. 1994（06）.

作者简介：郝丽生（1976- ），男，山西原平人，长期从事地质雷达仪器开发和应用技术方法研究。