基于探地雷達技術在煤礦淺部地層含水率計算中的應用

李世杰，裴圣良，林　朋

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2.中國煤田地質總局勘察總院，北京100039）

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基于探地雷達技術在煤礦淺部地層含水率計算中的應用

李世杰1，裴圣良2，林朋1

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2.中國煤田地質總局勘察總院，北京100039）

摘要：針對西部煤礦過度開采造成的地質問題，以淺部地層為主要研究對象，采用探地雷達探測技術，利用電磁波在地下介質中傳播規律，得到電磁波在淺部地層傳播的速度。通過公式求出介質的介電常數，利用Topp公式實現淺部地層含水率的計算。通過理論數據和實測數據的統計和對比分析，驗證了探地雷達方法測淺部地層含水率的準確性。

關鍵詞：探地雷達；介電常數；含水率；土壤

中國西部大部分礦區的大型機械化綜采造成礦區較為明顯的地面塌陷和地表裂縫。地面下沉導致地表對松散層空隙結構及含水率的變化，地表裂隙影響植物根系土壤含水分布。為了防止礦區的土地沙漠化，提高植被的存活率，利用探地雷達技術手段掌握煤炭開采后對淺部地層含水率的影響，對礦區生態環境恢復具有重要意義[1]。

探地雷達作為一種新型的淺部探測技術，在土壤含水率測定上得到廣泛應用。國內外對探地雷達探測土壤含水率方法上進行了大量的研究。Huisman J A, SperlC.et al.利用地面波的天線分離法測定表層土壤含水率[2]；Dannowaki G，Yaramanci U.利用反射波法測定波速中波速進而求得反射層和地表之間的含水率[3]。Tomer等利用探地雷達探測細砂質的沉積薄層含水率變化引起探地雷達的強烈反射[4]。Charlton發現雷達波的最大振幅和土壤含水率之間的關系[5]。Parkin等比較了探地雷達和TDR（Time Domain Refletrometry）測定的含水率的精度[6]。本文利用雷達波反射波的方法，找出淺部地層介電常數最好的雷達振幅包絡平均值反推地層介電常數，計算出地層含水率。該方法和實際取樣測量含水率方法作對比，表明雷達探測含水率與實測含水率有著高的相關性，驗證了雷達測含水率的準確性[7]。

1　探地雷達探測的原理及方法

探地雷達是采用中心頻率在10 MHz～2 500 MHz范圍的高頻電磁波探測地下電磁探測技術。探地雷達探測通常采用一對天線進行工作。由發射天線向地下介質中發射一定中心頻率的電磁脈沖波，電磁脈沖波在地下介質中傳播時，遇到介質中的電磁性(電阻率、介電常數及磁導率)差異分界面會發生反射、透射和折射，被反射和折射的電磁波傳回地表，由接收天線接收，而其中一部分電磁波經自由界面或空氣直接傳播到接收天線，見圖1。接收天線所接收的信號經過處理轉換成時間序列信號，每一測點上的這種時間序列即構成該測點的雷達波形記錄道，它包含該測點處所接收到的雷達波的幅度、相位和雙程走時等信息[8]。

圖1　探地雷達在介質中傳播示意圖

土壤和巖石為非導磁性介質,雷達信號速度在低衰減介質中可近似表示為：

式中：c為真空中電磁波速度，m/s，εr為相對介電常數。

土壤中含水率發生變化，導電率及介電常數發生相應變化，影響電磁波的速度產生較大改變。土壤中含水率發生變化，導電率和介電常數也發生較大變化，為描述土壤和含水率之間關系，利用Topp公式得出土壤含水率：

式中：θ為土壤含水率；ε已為相對介電常數，Topp公式一般適用于質地較粗的土壤[9]。

探地雷達探測方式主要有剖面法、多次疊加法、寬角法等。介質速度的求取常用寬角法，雷達波傳播時，當地下介質的介電常數發生變化時，一部分能量就會發生反射，并在雷達剖面上反映出來。如果在寬角法測量中可以追蹤到連續的反射波，則可以直接通過下式計算出雷達波在介質中的速度：

式中：Vsoil為雷達波在土壤中的平均速度，m/s；d為反射界面的深度，m；a為天線距離，m；trw，x為反射波到達時間，s。

從寬角法測量中獲得的一般是到達反射層的平均速度，應用迪克斯(Dix)公式，可將平均速度轉化成層速度：

式中：Vsoil，n為雷達波在第n個反射層以上介質中的平均速度，m/s；trw，n為雷達波到達第n個反射層的雙程旅行時間，s；Vsoil，n-1為雷達波在第n-1個反射層以上介質中的平均速度，m/s；trw，n-1為雷達波到達第n-1個反射層的雙程旅行時間，s。再利用公式計算出介電常數。

實際影響電磁波在土壤介質中傳播時的因素較多，有介電常數、電導率、磁導率等。但是在電磁場作用下產生傳導電流造成電磁波的損耗和衰減，電導率一般只考慮電磁波的損耗和衰減，在低頻的情況下會影響速度，電導率可不作考慮。對于介質磁導率，在土壤絕大多數介質中，介質磁性的變化相對較小，因此可以忽略。

2　探地雷達在煤礦含水率探測的應用

為驗證探地雷達技術在含水率測量中的準確性，以西部煤礦區的一個工作面為例。工作面布置平行工作面方向測線11條（D1-D11），每條900 m，布置垂直工作面方向測線（D12-D15）共4條，每條1 100 m。并根據工作面及相鄰工作面的開采工期，對設計測區進行4次動態觀測，觀測系統見圖2。

圖2　觀測系統布置圖

采用寬角法連續探測的方式采集數據。雷達數據采集后，對雷達數據處理影響著速度的拾取。探地雷達的數據需要進行預處理即背景噪聲處理設計、增益處理設計、一維濾波處理設計、小波變換處理設計等。背景噪聲計算由對背景道范圍求取均值運算得出，對儀器本身或耦合差異引起的噪聲有著更好的效果。一維濾波采用高斯濾波方式進行，壓制干擾信號，突出有效信號，提高信噪比。經過雷達數據的預處理得到如下的雷達數據成果，見圖3。

圖3　雷達數據處理成果圖

為了探究雷達在淺部地層含水率的應用，開挖了一段4 m×1.6 m的剖面，從左到右依次為1到9號點，圖中有三層明顯的含水層，對每一層分別計算含水率，從雷達圖像中讀取電磁波到達的時間，再結合鉆孔柱圖讀取該點深度，求得波速，利用式（1）求取出該點的介電常數，再通過Topp公式計算出每一點含水率。雷達數據成果得到的三層含水率處理數據，如表1、2、3所示。

表1　第一層含水率雷達處理數據

表2　第二層含水率雷達處理數據

表3　第三層含水率雷達處理數據

為了驗證探地雷達探測含水率的準確性，選取該剖面用烘干法測量含水率。烘干法是測定土壤含水率最常用的一種方法，簡單易行，準確度高，也是檢驗其他方法的基礎。本次采用近似深度對比法，雷達數據上測得的0.10 m～0.30 m的數據與鉆孔數據上0.2 m的數據進行對比；0.30 m～0.50 m的與0.4 m的對比；0.50 m～0.70 m的與0.6 m的對比；0.70 m～0.90 m的與0.8 m的對比；0.90 m～1.10 m的與1.0 m的對比。對比結果見圖4，其二者的相關系數為0.707 45，具有較高的相關性，說明探地雷達在探測煤礦淺層含水率中的應用有一定的準確性。

圖4　雷達與烘干法測量含水率數據對比圖

3　結論

通過探地雷達技術在煤礦淺部土壤含水率的應用，發現探地雷達方法測量土壤含水率適合大面積測量，具有探測快速、效率高、結果直觀等特點。探地雷達的圖像和數據處理技術對于雷達成像結果以及速度的拾取非常重要。采用探地雷達技術測的含水率的方法和實際取樣方法比較，驗證探地雷達法的準確性，在土壤含水率方法測定上具有很大潛力。探地雷達方法在煤礦含水率測定為開采后的煤礦生態恢復提供借鑒。

參考文獻：

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[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.

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

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[9]朱安寧，吉麗青，張佳寶，等.不同類型土壤介電常數與體積含水量經驗關系研究[J].土壤學報，2011，48（2）:263- 268.

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（編輯：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

作者簡介：李世杰（1991-），男，河南安陽人，碩士研究生，從事地球物理探測理論與方法的研究。

收稿日期：2015- 11- 03

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

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0031- 04

中圖分類號：TP631

文獻標識碼:A