雷達探測技術在礦山地質檢測準確性當中的應用

趙 輝

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000）

隨著我國礦山工業的快速發展，礦山地質工程已經成為了建設過程中非常重要的組成部分。對于礦山工程來說，地質雷達檢測方式因為具有準確、快速以及直觀等優勢在礦山地質檢測中得到了普遍應用，一定程度上已經成為了礦山施工質量控制與檢測最為重要的手段。但礦山地質檢測常常會受到施工機械設備、檢測基面平整度較差、檢測車行走顛簸等方面的影響而造成地質雷達所采集到的數據不夠清晰準確，數據的質量不高。這就造成后續數據處理過程中缺少準確的數據支持而造成誤差較大、缺陷定位不夠準確以及遺漏等方面的問題。對影響地質雷達檢測準確性的相關因素進行分析，最大程度上降低檢測誤差，這對于進一步推動我國礦山產業發展具有非常重要的作用。

1 地質雷達檢測的基本原理介紹

地質雷達和航空雷達具有類似之處，都是通過高頻脈沖電磁波的反射進行物體的探測，所以也可以稱之為探地雷達。一般情況下都是通過主頻在106Hz～109Hz范圍內的電磁波通過寬頻帶短脈沖的方式從地面利用天線發射器發射到地下，通過地下目標物體或者礦層界面的反射之后返回到地面之上而被雷達天線接收器接收。之后對于接收到的雷達信號實施必要的處理以及圖像解釋之后就能夠探測到地下的目標礦體。

圖1所示為地質雷達用于礦山地質檢測的基本原理。在進行礦山地質檢測過程中，在礦區界面的位置會存在較大的介電常數差異，因而在雷達圖像方面會具有非常明顯的反射，這樣就能夠明確礦體的厚度。一旦在其背后存在著空洞，那么在雷達圖像中空洞以及礦區界面位置會有低頻強反射波，這樣就能夠判斷出礦體空洞的位置。

圖1 地質雷達檢測基本原理

2 地質雷達用于礦山地質檢測準確性影響因素分析

從相關參考文獻以及實際地質雷達現場檢測情況來看，對于地質雷達用于礦山地質檢測準確性具有影響的因素如圖2所示。

圖2 地質雷達用于礦山地質檢測準確性影響因素

2.1 參數采集問題分析

通過地質雷達進行礦山地質檢測的主要參數包括增益點數、介電常數、采樣率等等。增益點數以及每個增益值的情況要根據檢測人員所具有的實際經驗來進行現場調試，目的就是要確保現場測試圖像可以滿足后續數據解釋方面的要求；對于現場參數采集設置來說，最為重要的指標就是介電常數。

一般情況下要進行現場標定，標定的次數要按參考礦層厚度、礦區礦齡期、礦山地質含水率等等來確定；采樣時窗長度主要就是指從數據采集開始到結束過程中的長度。此參數的確定要參照需求的探測深度以及發射脈沖在地下介質中的傳播速度等因素，可以用如下公式表示：

其中W表示的為時窗長度，單位為ns；d表示的為探測深度，單位為m；v表示的為傳播速度，單位為m/ns。

采樣率主要用于記錄反射波采樣點間的時間間隔。為了確保能夠得到完整的記錄波形，可以設定采樣率為天線中心頻率的10倍，這樣能夠獲取較好的地質雷達時間深度剖面圖。

2.2 標記問題的分析

如果在礦山地質檢測區域內具有不同類型的支護，那么可能會出現標記混亂或者缺失，這就會造成支護類型分界點周邊襯砌厚度評定出現錯誤，從而造成評定結果的偏差。如果礦山地質施工質量控制檢測與礦山建筑工程驗收檢測出現標記不一致的問題就會造成前期施工質量控制檢測結果和后期竣工驗收檢測結果的偏差。

所以為了有效提升檢測以及評定結果的準確性，需要在檢測區間內設定標記（間隔5m設定1個標記，間隔10m設定標記樁號，確保標記樁號和施工樁號的一致性）。另外，在實際測試過程中一定要按照標記進行喊標和打標，完成測試之后需要對里程以及標記進行進一步核實，保證現場記錄表的檢測段和實際里程能夠有效對應，同時要準確記錄發生誤打、漏打標記的位置和洞身預留洞室的位置。

2.3 處理參數選擇問題分析

對于礦山地質檢測數據處理來說，最為重要的就是地質表面波拾取、波速的確定以及反射層面的拾取等等。在處理過程中要選擇合適的處理參數，確保每一項的處理能夠真正起到作用。

2.3.1 表面波的拾取

從上述內容表述的地質雷達探測原理中可知，此種方式探測成功與否在很大程度上取決于系統是否能夠接收并識別到足夠多的反射或者散射能量。一旦目標體和周邊礦體的相對介電常數之間具有差異時，目標體的反射系統就可以按照電磁波反射理論進行計算，具體公式如下：

其中Ri表示的為反射系數；表示的為第1層物質的介電常數；表示的是第2層物質的介電常數。礦山地質礦層中的電磁波主要是從空氣中傳入到礦層當中。

所以第1層物質（空氣）的介電常數選擇為1，第2層物質的介電常數選擇為6.4，所以地質土表面反射系數Ri為-0.4334，一般情況下地質土表面首波理論應為負波。在首波拾取過程中需要選擇波形的第1個最大負波峰，此負波峰屬于一個布克子波的組成部分，上下各有一個非常小的正波峰。

2.3.2 介電常數的標定

從地質雷達檢測的基本原理中可知，在電磁波傳播時間確定的條件下目標體厚度和電磁波在介質中傳播的波速成正比，所以目標體介質所具有的波速直接影響目標礦體的厚度。所以在正式檢測之前需要對礦山地質礦體介電常數或者電磁波波速實施現場的標定，要保證每段礦山道標定位置在1處以上，并且每一處測試3次以上，最終取平均值來當作此礦山地質礦體介電常數或者電磁波的波速。

具體標定的位置和測試的次數要按照實際情況具體設定，若是礦山的長度在3km以上并且襯砌材料或者含水量具有較大變化時需要一定程度上增加介電常數的標定數量。

對于礦山地質礦體介電常數或者電磁波速的標定可以采取如下方式進行：第一，可以在礦山地質測量位置采用雙天線直達波法進行測量；第二，在已知礦體厚度位置或者礦山材料相同的其他預制件上進行測量；第三，對于礦山地質實施鉆孔標定。

2.4 天線和礦山地質耦合問題分析

在對礦山地質檢測過程中要確保天線和礦體表面的緊密貼合。圖3、圖4分別表示某礦山（初支設計有間距1.2m的鋼拱架分布）地質檢測過程中同樣里程區域未貼緊和緊貼礦體表面的情況。

圖3 天線未貼緊襯砌表面時圖像

從圖3、圖4中能夠得知，在天線緊貼礦體表面的情況下能夠顯示出非常清晰的鋼拱架信號，從而為資料的分布提供了非常準確可靠的數據。但是在天線未貼緊礦體表面時，不能明顯看到鋼拱架信號，這就對分析判斷造成了非常嚴重的影響，同時會在雷達圖像的下部表現出較為強烈的多次反射波。這主要是因為電磁波會在天線和礦體表面之間多次反射所造成的，以此也能夠判定天線是否和礦體表面緊貼。

2.5 礦層齡期問題分析

通過對不同齡期礦層實施地質雷達測試可知：礦體內部的鋼拱架清晰程度會隨著礦層齡期的增加而越發清晰。這主要是因為相對于礦山地質來說，水的相對介電常數具有比較大的差距，由于礦層土含水率會隨著時間變化而逐漸降低，這就造成了礦層相對介電常數會隨著齡期的增加而降低。隨著相對介電常數的下降，電磁波的穿透力會逐漸增強，從而獲得較為清晰的雷達影響。

對于礦山地質來說，不同齡期的礦層存在著較大的差別。例如在28天齡期之內的礦層含水量會隨著時間的增加而逐漸下降，介電常數會逐漸減小，雷達圖像當中的特征結構體更加的顯著；在28天-50天齡期的礦層含水量不會出現較大的變化，相對介電常數基本不會發生改變；50天齡期之上的礦層內含水量基本穩定，相對介電常數也逐漸穩定。所以為了防止檢測數據出現比較大的偏差，最好在礦體齡期在28天之后進行檢測。

2.6 反射層拾取問題分析

反射出拾取的準確性在很大程度上決定著地質雷達對礦山地質檢測結果的準確性。所謂的反射層拾取就是指在雷達影像中找到2種不同介質的接觸面。

隨著介質介電常數差距的增加，所得雷達圖像界面的地質特征會更加明顯，反射層的拾取就更加準確。所以在進行數據解釋過程中最大程度上將和礦山介電常數差距非常大的物質當作分層依據。

2.7 現場檢測過程中的干擾問題分析

2.7.1 預埋管線的干擾

預埋管線的圖像特征如圖5所示，其和礦山的區別在于：預埋管線在雷達剖面圖種屬于標準的雙曲線反射，但是空洞大多為不規則的弧狀強反射。

圖4 天線緊貼襯砌表面時圖像

圖5 預埋管線的雷達剖面

2.7.2 礦層底部不平整的干擾

通過地質雷達進行隧道掃描過程中需要保證隧道底部的平整性。圖6所示為礦層底部不平整時顯示的雷達剖面情況。

圖6 礦層底部不平整顯示的雷達剖面

從圖6中可知，因為礦層底部的不平整而造成天線發生抖動，和礦層底部的耦合較差。雷達剖面圖上的特征表示為：反射波同相軸不夠連續，同時伴隨著很多次的波反射，隨著測線方向直達波起跳點不一致等等。

3 結語

隨著礦產行業的快速發展，礦山建設的數量和規模都在不斷增加，確保礦山地質檢測的準確性在很大程度上影響著礦山的施工質量。本文主要闡述地質雷達用于礦山地質檢測中的影響因素內容，通過本文的介紹能夠對礦山地質檢測提供一定的參考和幫助。