雷達(dá)探測技術(shù)在礦山地質(zhì)檢測準(zhǔn)確性當(dāng)中的應(yīng)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(yè)的快速發(fā)展，礦山地質(zhì)工程已經(jīng)成為了建設(shè)過程中非常重要的組成部分。對于礦山工程來說，地質(zhì)雷達(dá)檢測方式因?yàn)榫哂袦?zhǔn)確、快速以及直觀等優(yōu)勢在礦山地質(zhì)檢測中得到了普遍應(yīng)用，一定程度上已經(jīng)成為了礦山施工質(zhì)量控制與檢測最為重要的手段。但礦山地質(zhì)檢測常常會受到施工機(jī)械設(shè)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(zhì)雷達(dá)所采集到的數(shù)據(jù)不夠清晰準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的質(zhì)量不高。這就造成后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中缺少準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持而造成誤差較大、缺陷定位不夠準(zhǔn)確以及遺漏等方面的問題。對影響地質(zhì)雷達(dá)檢測準(zhǔn)確性的相關(guān)因素進(jìn)行分析，最大程度上降低檢測誤差，這對于進(jìn)一步推動我國礦山產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常重要的作用。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測的基本原理介紹

地質(zhì)雷達(dá)和航空雷達(dá)具有類似之處，都是通過高頻脈沖電磁波的反射進(jìn)行物體的探測，所以也可以稱之為探地雷達(dá)。一般情況下都是通過主頻在106Hz～109Hz范圍內(nèi)的電磁波通過寬頻帶短脈沖的方式從地面利用天線發(fā)射器發(fā)射到地下，通過地下目標(biāo)物體或者礦層界面的反射之后返回到地面之上而被雷達(dá)天線接收器接收。之后對于接收到的雷達(dá)信號實(shí)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(biāo)礦體。

圖1所示為地質(zhì)雷達(dá)用于礦山地質(zhì)檢測的基本原理。在進(jìn)行礦山地質(zhì)檢測過程中，在礦區(qū)界面的位置會存在較大的介電常數(shù)差異，因而在雷達(dá)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(dá)圖像中空洞以及礦區(qū)界面位置會有低頻強(qiáng)反射波，這樣就能夠判斷出礦體空洞的位置。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測基本原理

2 地質(zhì)雷達(dá)用于礦山地質(zhì)檢測準(zhǔn)確性影響因素分析

從相關(guān)參考文獻(xiàn)以及實(shí)際地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場檢測情況來看，對于地質(zhì)雷達(dá)用于礦山地質(zhì)檢測準(zhǔn)確性具有影響的因素如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)用于礦山地質(zhì)檢測準(zhǔn)確性影響因素

2.1 參數(shù)采集問題分析

通過地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行礦山地質(zhì)檢測的主要參數(shù)包括增益點(diǎn)數(shù)、介電常數(shù)、采樣率等等。增益點(diǎn)數(shù)以及每個增益值的情況要根據(jù)檢測人員所具有的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，目的就是要確?，F(xiàn)場測試圖像可以滿足后續(xù)數(shù)據(jù)解釋方面的要求；對于現(xiàn)場參數(shù)采集設(shè)置來說，最為重要的指標(biāo)就是介電常數(shù)。

一般情況下要進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，標(biāo)定的次數(shù)要按參考礦層厚度、礦區(qū)礦齡期、礦山地質(zhì)含水率等等來確定；采樣時窗長度主要就是指從數(shù)據(jù)采集開始到結(jié)束過程中的長度。此參數(shù)的確定要參照需求的探測深度以及發(fā)射脈沖在地下介質(zhì)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(diǎn)間的時間間隔。為了確保能夠得到完整的記錄波形，可以設(shè)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(zhì)雷達(dá)時間深度剖面圖。

2.2 標(biāo)記問題的分析

如果在礦山地質(zhì)檢測區(qū)域內(nèi)具有不同類型的支護(hù)，那么可能會出現(xiàn)標(biāo)記混亂或者缺失，這就會造成支護(hù)類型分界點(diǎn)周邊襯砌厚度評定出現(xiàn)錯誤，從而造成評定結(jié)果的偏差。如果礦山地質(zhì)施工質(zhì)量控制檢測與礦山建筑工程驗(yàn)收檢測出現(xiàn)標(biāo)記不一致的問題就會造成前期施工質(zhì)量控制檢測結(jié)果和后期竣工驗(yàn)收檢測結(jié)果的偏差。

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

2.3 處理參數(shù)選擇問題分析

對于礦山地質(zhì)檢測數(shù)據(jù)處理來說，最為重要的就是地質(zhì)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(shù)，確保每一項(xiàng)的處理能夠真正起到作用。

2.3.1 表面波的拾取

從上述內(nèi)容表述的地質(zhì)雷達(dá)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(tǒng)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(biāo)體和周邊礦體的相對介電常數(shù)之間具有差異時，目標(biāo)體的反射系統(tǒng)就可以按照電磁波反射理論進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

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

所以第1層物質(zhì)（空氣）的介電常數(shù)選擇為1，第2層物質(zhì)的介電常數(shù)選擇為6.4，所以地質(zhì)土表面反射系數(shù)Ri為-0.4334，一般情況下地質(zhì)土表面首波理論應(yīng)為負(fù)波。在首波拾取過程中需要選擇波形的第1個最大負(fù)波峰，此負(fù)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(shù)的標(biāo)定

從地質(zhì)雷達(dá)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(biāo)體厚度和電磁波在介質(zhì)中傳播的波速成正比，所以目標(biāo)體介質(zhì)所具有的波速直接影響目標(biāo)礦體的厚度。所以在正式檢測之前需要對礦山地質(zhì)礦體介電常數(shù)或者電磁波波速實(shí)施現(xiàn)場的標(biāo)定，要保證每段礦山道標(biāo)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(dāng)作此礦山地質(zhì)礦體介電常數(shù)或者電磁波的波速。

具體標(biāo)定的位置和測試的次數(shù)要按照實(shí)際情況具體設(shè)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(shù)的標(biāo)定數(shù)量。

對于礦山地質(zhì)礦體介電常數(shù)或者電磁波速的標(biāo)定可以采取如下方式進(jìn)行：第一，可以在礦山地質(zhì)測量位置采用雙天線直達(dá)波法進(jìn)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(yù)制件上進(jìn)行測量；第三，對于礦山地質(zhì)實(shí)施鉆孔標(biāo)定。

2.4 天線和礦山地質(zhì)耦合問題分析

在對礦山地質(zhì)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(shè)計(jì)有間距1.2m的鋼拱架分布）地質(zhì)檢測過程中同樣里程區(qū)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(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。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(yán)重的影響，同時會在雷達(dá)圖像的下部表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的多次反射波。這主要是因?yàn)殡姶挪〞谔炀€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(shí)施地質(zhì)雷達(dá)測試可知：礦體內(nèi)部的鋼拱架清晰程度會隨著礦層齡期的增加而越發(fā)清晰。這主要是因?yàn)橄鄬τ诘V山地質(zhì)來說，水的相對介電常數(shù)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(shù)會隨著齡期的增加而降低。隨著相對介電常數(shù)的下降，電磁波的穿透力會逐漸增強(qiáng)，從而獲得較為清晰的雷達(dá)影響。

對于礦山地質(zhì)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(nèi)的礦層含水量會隨著時間的增加而逐漸下降，介電常數(shù)會逐漸減小，雷達(dá)圖像當(dāng)中的特征結(jié)構(gòu)體更加的顯著；在28天-50天齡期的礦層含水量不會出現(xiàn)較大的變化，相對介電常數(shù)基本不會發(fā)生改變；50天齡期之上的礦層內(nèi)含水量基本穩(wěn)定，相對介電常數(shù)也逐漸穩(wěn)定。所以為了防止檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)比較大的偏差，最好在礦體齡期在28天之后進(jìn)行檢測。

2.6 反射層拾取問題分析

反射出拾取的準(zhǔn)確性在很大程度上決定著地質(zhì)雷達(dá)對礦山地質(zhì)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。所謂的反射層拾取就是指在雷達(dá)影像中找到2種不同介質(zhì)的接觸面。

隨著介質(zhì)介電常數(shù)差距的增加，所得雷達(dá)圖像界面的地質(zhì)特征會更加明顯，反射層的拾取就更加準(zhǔn)確。所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋過程中最大程度上將和礦山介電常數(shù)差距非常大的物質(zhì)當(dāng)作分層依據(jù)。

2.7 現(xiàn)場檢測過程中的干擾問題分析

2.7.1 預(yù)埋管線的干擾

預(yù)埋管線的圖像特征如圖5所示，其和礦山的區(qū)別在于：預(yù)埋管線在雷達(dá)剖面圖種屬于標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線反射，但是空洞大多為不規(guī)則的弧狀強(qiáng)反射。

圖4 天線緊貼襯砌表面時圖像

圖5 預(yù)埋管線的雷達(dá)剖面

2.7.2 礦層底部不平整的干擾

通過地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)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(dá)剖面情況。

圖6 礦層底部不平整顯示的雷達(dá)剖面

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

3 結(jié)語

隨著礦產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，礦山建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷增加，確保礦山地質(zhì)檢測的準(zhǔn)確性在很大程度上影響著礦山的施工質(zhì)量。本文主要闡述地質(zhì)雷達(dá)用于礦山地質(zhì)檢測中的影響因素內(nèi)容，通過本文的介紹能夠?qū)ΦV山地質(zhì)檢測提供一定的參考和幫助。