探地雷達(dá)結(jié)合鉆孔探測采煤塌陷區(qū)土壤剖面層次及含水率

吳志遠(yuǎn)，彭蘇萍，崔 凡，聶俊麗

探地雷達(dá)結(jié)合鉆孔探測采煤塌陷區(qū)土壤剖面層次及含水率

吳志遠(yuǎn)1，彭蘇萍1，崔 凡1，聶俊麗2

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 貴州大學(xué)國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025）

為分析煤層開采對地層結(jié)構(gòu)及含水率的影響，利用探地雷達(dá)對西部煤礦開采區(qū)開采前后地表淺層土壤剖面、土壤含水率分布特征進(jìn)行了探測研究。通過鉆孔地質(zhì)編錄對雷達(dá)探測地層分布進(jìn)行了矯正，并利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)測含水率驗(yàn)證了雷達(dá)探測含水率精度。結(jié)果表明：1）雷達(dá)探測鉆探結(jié)果顯示，煤礦開采區(qū)淺層（<10 m）土壤介質(zhì)結(jié)構(gòu)從上之下主要包含砂層、黏土層和風(fēng)化層3類。2）探地雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率隨深度變化規(guī)律相似，4個(gè)鉆孔兩種方法探測所得含水率相關(guān)系數(shù)分別為0.875、0.88、0.94和0.84，表明探地雷達(dá)反演淺部地層含水率的可行性，黏土、含砂黏土的含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂層含水率。3）煤礦開采對淺部地層土壤剖面具有一定影響，但土壤剖面整體不變。煤礦開采后淺層土壤含水率下降明顯，第1、3次探測L1測線砂層和黏土層含水率損失率平均為28.26%、12.85%。這表明煤層開采對砂層結(jié)構(gòu)土壤含水率影響較大。第二、四次探測砂層平均含水率分別為5.31%，7.44%，含水率增大2.11%，土壤含水率增大范圍在5%～56%之間，平均增大范圍為27.89%示。黏土層兩次探測含水率分別為11.46%、11.96%，含水率增大0.5%，含水率增大范圍在?19.13%～19.59%，平均增大范圍為4.79%。即黏土類結(jié)構(gòu)層含水量變化較小，砂層結(jié)構(gòu)含水量變化較大，說明黏土類地層受降雨影響較小，砂層結(jié)構(gòu)地層含水量受降雨影響較大，表明淺部地層土壤水分主要受降雨影響。

土壤；含水率；探地雷達(dá)；煤礦開采區(qū)

0 引 言

隨著西部煤炭資源大規(guī)模的開采，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，荒漠化進(jìn)程加劇[1-3]。為了有效的遏制礦區(qū)荒漠化，幾乎所有礦區(qū)都無一例外地選擇復(fù)墾[4-5]。對于干旱半干旱煤礦開采區(qū)，由于淺部地層土壤有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)的含量較小，影響土地復(fù)墾質(zhì)量的主要因子為土壤介質(zhì)和土壤含水率[6-7]。因此要保證土地復(fù)墾的有效性，就要根據(jù)煤層開采前后淺部地層的土壤介質(zhì)、土壤含水量等特性選擇合理的復(fù)墾方式[8]。傳統(tǒng)的土地復(fù)墾過程中，為了弄清地下土壤介質(zhì)和土壤含水率的實(shí)際情況，通常是通過開挖從土壤剖面上直接觀察土壤的具體結(jié)構(gòu)，通過鉆孔取樣實(shí)驗(yàn)室實(shí)測獲取土壤含水率，這些傳統(tǒng)探測方法能夠得到精確的地下土壤的結(jié)構(gòu)特征和土壤含水率，但僅限于某一小范圍內(nèi)[9-10]。要得到較大區(qū)域范圍的土壤介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和土壤含水率不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還會出現(xiàn)以點(diǎn)蓋面的情況。探地雷達(dá)已被證明探測可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速、大范圍松散層物性結(jié)構(gòu)的調(diào)查以及淺部地層土壤含水率的探測，且具有較高的精確度[11-16]。Huisman等[17]利用探地雷達(dá)地面波計(jì)算地表土壤含水量，并與TDR數(shù)據(jù)對比顯示，GPR探測所得含水率與TDR實(shí)測含水率的誤差為± 0.036 m3/m3。Grote等[18]研究表明，當(dāng)探地雷達(dá)中心頻率為900 MHz時(shí)，利用地面波計(jì)算土壤含水量與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測土壤含水量均方根誤差為0.11 m3/m3，探地雷達(dá)中心頻率為450 MHz兩種方法探測所得含水率均方根誤差為0.17 m3/m3。Galagedara等[19]利用100 MHz探地雷達(dá)探測地表10 cm以內(nèi)土壤含水量，并與TDR測量土壤含水量數(shù)據(jù)比較顯示，兩種方法探測所得土壤含水量的誤差在0.01 m3/m3以內(nèi)。在國內(nèi)，雷少剛等人[20]在針對煤礦開采對地表含水的影響，使用探地雷達(dá)對淺部砂層含水率進(jìn)行了探測，取得了較好的效果。伊天宇[21]設(shè)計(jì)了雷達(dá)波平均振幅能量和平均振幅速度分析程序并應(yīng)用于實(shí)際探測中，結(jié)果顯示雷達(dá)探測潛水面深度與實(shí)測深度相對誤差為1.2%，表明探地雷達(dá)對確定土壤含水分分布具有很大的應(yīng)用潛力。

前人對中國西部干旱半干旱地區(qū)采煤塌陷對土壤剖面及土壤含水率的影響具有一定的研究。劉彩云等[22]通過實(shí)驗(yàn)室模擬認(rèn)為煤礦井工開采形成的裂縫（隙）加劇了土壤水分損失，造成塌陷區(qū)含水量明顯降低，土壤水分損失量順序：2005年塌陷區(qū)>2004年塌陷區(qū)>未塌陷區(qū)。鄒慧等[23]以沙蒿為研究對象顯示，在裂縫發(fā)育期和沉降期，土壤水分受開采的影響明顯出現(xiàn)土壤水分虧缺，沙蒿根系根系嚴(yán)重受損。畢銀麗等[24]研究顯示采煤沉陷使得水分恢復(fù)期土壤水分條件發(fā)生變化，增加了60～80 cm深度處土壤水分的變異性；趙紅梅等[25]研究顯示地表的地裂縫、塌陷坑、塌陷洞等塌陷形態(tài)對土壤持水能力的影響頗為顯著。張延旭等[26]研究結(jié)果表明，采煤沉陷裂縫造成了土壤含水量的下降，裂縫寬度越大，土壤水分損失量越大。杜國強(qiáng)等[27]分析得出了地裂縫的出現(xiàn)一定程度上降低了裂縫及其周邊土體含水率的結(jié)論。從前人研究結(jié)果可以看出，采煤塌陷會導(dǎo)致地表裂縫叢生進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分降低，但前人研究大多數(shù)局限于土壤表層（<1 m）[28-30]。但沙柳等高大喬木的根系埋深往往達(dá)到數(shù)米深，由于研究地層深度較淺往往導(dǎo)致不能為礦區(qū)復(fù)墾提供科學(xué)的依據(jù)，往往導(dǎo)致使用錯誤的復(fù)墾方式，致使生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，同時(shí)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，很多學(xué)者研究的地層土壤介質(zhì)往往只僅限于一種（如砂層）[31-32]，但對于中國西部干旱半干旱地區(qū)，黃土、黏土等介質(zhì)同樣是較為常見的土壤類型，因此很有必要了解煤層開采條件下地表淺部地層不同土壤介質(zhì)含水率的變化情況，為煤礦復(fù)墾提供參考。

本次研究首先利用探地雷達(dá)結(jié)合鉆孔取樣對煤礦開采過程中淺部地層介質(zhì)及其結(jié)構(gòu)的變化情況進(jìn)行了探測分析，然后利用探地雷達(dá)結(jié)合土壤取芯確定煤礦開采區(qū)淺部地層不同土壤介質(zhì)的含水率變化情況，最后對比分析不同土壤介質(zhì)在煤層開采條件影響下的地層結(jié)構(gòu)及含水率的變化情況，旨在：1）分析煤層開采前后淺層地層沉積結(jié)構(gòu)的變化，確定煤礦開采對淺部地層土壤剖面的影響；2）分析煤礦開采對地表土壤水分分布的影響；3）分析煤層開采條件下淺部地層不同土壤介質(zhì)與土壤含水率的關(guān)系，為開采后復(fù)墾提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)地處中國西北部，礦區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干燥少雨，大風(fēng)頻繁。由于氣候干旱、地表徑流較少，導(dǎo)致該地區(qū)地下潛水面深度一般在30 m以下[33-34]。同時(shí)由于地下煤層開采導(dǎo)致地表出現(xiàn)大量裂縫，進(jìn)一步加劇了該地區(qū)生態(tài)的惡化情況。所選研究區(qū)位于神東煤礦大柳塔礦區(qū)，如圖1所示，地理坐標(biāo)為經(jīng)度109°51′～109°46′，緯度38°52′～39°41′。研究區(qū)主要屬風(fēng)沙堆積地貌，上部由砂層覆蓋，砂層厚度0～20 m不等。區(qū)內(nèi)高程最大變化值為35.2 m，地勢中間高兩邊低，植被主要為沙柳，由于前幾年煤礦公司的綠化，研究區(qū)內(nèi)分布著少量的楊樹。

降雨是煤礦開采區(qū)地表土壤含水率變化的重要因素之一。從研究區(qū)降水量分布曲線來看，如圖2所示。研究區(qū)平均年降雨量約為200 mm，降水主要分布在每年的5月份至11月份，其余時(shí)間內(nèi)研究區(qū)降雨量稀少。

注：L1-L6為雷達(dá)測線。

圖2 研究區(qū)降水量分布圖

相同條件下，不同土壤介質(zhì)其含水率不同，因此了解研究區(qū)地下土壤介質(zhì)的分布規(guī)律對于指導(dǎo)雷達(dá)探測反演土壤含水率具有重要作用。通過鉆探顯示研究區(qū)內(nèi)淺層土壤物性主要包含風(fēng)積沙含黏土沙、黏土、礫石、黃土等，其中80%地表被砂層覆蓋，厚度平均約為2 m，剩余20%的地區(qū)被黏土所覆蓋。研究區(qū)淺部地層典型介質(zhì)如表1所示。

表1 研究區(qū)典型淺部地層介質(zhì)

2 研究方法

2.1 野外探測方法及鉆孔取芯

本次研究的目的為劃分研究區(qū)淺部地層結(jié)構(gòu)，分析煤層開采對不同地層結(jié)構(gòu)及其含水率的影響規(guī)律。在詳細(xì)分析地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，于研究區(qū)內(nèi)布置雷達(dá)測線6條，分別為L1、L2、L3、L4、L5、L6，其中L1、L4測線位于煤層開采工作面巷道上方，L2、L3測線位于開采區(qū)中心位置，測線均長900 m，測線間距100 m，L5測線垂直煤層開采方向布置，長度為450 m，L6測線位于開采區(qū)外，測線長度為400 m，測線布置圖如圖1所示。雷達(dá)探測次數(shù)為4次，包括采前、采中、采后及采煤塌陷穩(wěn)定后4個(gè)時(shí)段。第1次探測時(shí)間為2015年3月1日，此時(shí)基本處于旱季，工作面開采長度為80 m；第2次探測時(shí)間為2015年4月10日，研究區(qū)處于降水量前期，地層積蓄前期降水，此時(shí)工作面開采長度為300 m；第3次探測為2015年6月2日，處于旱季，此時(shí)工作面已開采完畢；第4次探測為2015年8月3日，正處于雨季，探測前后均有大雨，此時(shí)地表沉陷處于穩(wěn)定階段。

本次研究主要采用200 MHz GR探地雷達(dá)系統(tǒng)對淺部地層含水率進(jìn)行探測。雷達(dá)探測參數(shù)分別為：時(shí)窗300 ns，采樣點(diǎn)數(shù)2048。對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自動增益，濾波、背景去噪、滑動平均等常規(guī)處理。然后在雷達(dá)剖面中以雷達(dá)標(biāo)（間隔25 m）為參照，在層位信息較多的位置布置鉆孔。利用洛陽鏟取芯，進(jìn)行地質(zhì)編錄，鉆孔矯正雷達(dá)探測地下地層的深度。同時(shí)利用鉆孔取樣實(shí)測含水率對比分析探地雷達(dá)探測淺部地層含水率的精度，鉆孔位置如圖1所示，利用經(jīng)緯儀對煤層開采前后地層海拔變化進(jìn)行了探測。

2.2 雷達(dá)探測及室內(nèi)含水率獲取方法

本次研究在雷達(dá)測線上每隔25m設(shè)置一個(gè)雷達(dá)含水率采樣點(diǎn)，共布置采樣點(diǎn)37個(gè)，垂向上取樣間隔為0.5m。為了驗(yàn)證雷達(dá)探測淺層土壤含水率的精確性，本次研究還在雷達(dá)測線設(shè)置鉆孔取樣點(diǎn)，對近地表層黏土質(zhì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、砂礫、黏土質(zhì)砂和黏土特點(diǎn)及含水性進(jìn)行分析，為研究地質(zhì)雷達(dá)含水率反演算法提供實(shí)際驗(yàn)證材料。鉆孔取樣點(diǎn)與巖芯編錄取樣點(diǎn)相同，利用環(huán)刀法對土壤進(jìn)行取樣。垂向上的含水率取樣間隔與雷達(dá)數(shù)據(jù)相同，均為0.5m。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用烘干法測試土壤樣品重量含水率，然后利用公式1計(jì)算出樣品的體積含水率。

式中和分別為土壤樣品的干密度和水的密度，g/cm，為質(zhì)量含水率，%。

本次研究采用現(xiàn)代譜中的ARMA譜分析方法反演淺部地層土壤含水率。ARMA現(xiàn)代譜分析是一種建模方法，即通過對平穩(wěn)線性信號過程建立模型來估計(jì)功率譜密度。如果令{()}是雷達(dá)數(shù)字信號，如果滿足差分方程

則過程{()}稱為一ARMA(,)過程。其中，()是個(gè)均值為零、方差為2的白噪聲，簡記為{()~(0,2)}；式中的a和b分別稱作自回歸（AR）參數(shù)和移動平均（MA）參數(shù)，和分別叫作AR階數(shù)和MA階數(shù)。地質(zhì)雷達(dá)采集得到的信號是反映地下不同深度介電常數(shù)變化，而這種變化量是未知的，可以采用白噪聲的形式模擬。

利用上式，可以獲取信號{()}的譜密度參數(shù)

通過Cadzow譜分析法，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代ARMA譜的計(jì)算[35]。

2.3 煤礦開采對地層結(jié)構(gòu)影響機(jī)理

煤礦塌陷區(qū)地表破壞程度主要取決于地表裂縫的寬度、落差和密度，地表裂縫的條件與開采條件和微地貌有關(guān)。當(dāng)?shù)V區(qū)上覆巖層基本相同，沒有特殊的斷層構(gòu)造時(shí)，水平緩傾斜煤層單矩形工作面表面的永久靜裂紋主要分布在地表運(yùn)動的水平移動區(qū)，如圖3所示[36]。

注：d為點(diǎn)間水平距離；b為水平移動系數(shù)；S0為拐點(diǎn)偏移距；a為地表最大水平拉伸變形距拐點(diǎn)水平距離。（1）永久性裂縫發(fā)育區(qū)，（2）動態(tài)裂縫發(fā)育區(qū)。

若不考慮地形地貌的影響，則完全開采或接近完全開采時(shí)地表最大水平拉伸變形距拐點(diǎn)水平距離a為

其中r為主要影響半徑。

一般情況下，影響地表變形量的主要因素有切向tan=2.2±0.2，拐點(diǎn)偏移量s=0.1H，因此，最大水平拉伸變形的水平距離礦業(yè)以外的邊界應(yīng)該是

式中b為水平拉伸距邊界距離，H為煤層埋深厚度；為煤層傾角；為采深。

3 結(jié)果與分析

3.1 探地雷達(dá)結(jié)合鉆孔確定淺部地層結(jié)構(gòu)

L1雷達(dá)探測結(jié)合鉆孔取芯地質(zhì)編錄所得綜合剖面圖結(jié)果顯示，雷達(dá)剖面解釋與鉆孔巖性具有較高一致性，如圖4所示。雷達(dá)剖面經(jīng)過小波變換及增益處理以增加其分辨率。從圖中可以看出L1測線內(nèi)淺部地層土壤剖面主要分為中砂、黏土和風(fēng)化帶3類，其中地表主要被中砂覆蓋，中砂厚度從0～9 m不等，南部中砂厚度較大，中部和北部中砂厚度較小。黏土層除180～210 m處出露地表外，其余部分均位于砂層下部，黏土層厚度在2.3～6.5 m之間，在地層內(nèi)分布較為均勻。黏土層下部為風(fēng)化層，主要為礫石層和風(fēng)化砂巖層。

注：0，80，160 ns 表示時(shí)間；0，4.9，9.8 m表示深度。

3.2 煤礦開采對淺部地層結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 垂直煤層開采方向地層結(jié)構(gòu)變化

收集研究區(qū)內(nèi)4個(gè)鉆孔的煤層平均埋藏深度為201 m，如表2所示。根據(jù)式（4）計(jì)算的拉伸區(qū)拐點(diǎn)為57 m，采礦沉陷區(qū)域劃分如圖5所示。圖6為L5測線第1、3、4次雷達(dá)探測淺部地層剖面圖。從圖6中可以看出，第三次探測中在開采邊緣裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)產(chǎn)生地層不連續(xù)現(xiàn)象，這主要是由于地下煤層開采導(dǎo)致地表產(chǎn)生階梯型裂縫所致。但在第四次探測時(shí)地層不連續(xù)現(xiàn)象已消失，因?yàn)榇藭r(shí)裂縫已被砂層掩蓋。沉降穩(wěn)定區(qū)內(nèi)三個(gè)鉆孔處中砂和黏土深度基本沒有變化。在地層結(jié)構(gòu)變化明顯處進(jìn)行鉆孔取芯編錄以確定煤礦開采前后淺部地層結(jié)構(gòu)的變化情況，結(jié)果表明，三次探測中鉆孔巖性并沒有明顯變化，砂層及黏土層的分界（紅色曲線）變化規(guī)律基本相同，這表明除了裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)，地下煤層開采對淺部地層結(jié)構(gòu)基本沒有影響。

表2 研究區(qū)埋藏煤層深度

注：D1-D4為研究區(qū)鉆孔.

Note: D1-D4 are drilling of the study area.

3.2.2 平行煤層開采方向地層結(jié)構(gòu)變化

選取開采工作面邊界的L1測線進(jìn)行分析，該測線位于采煤塌陷盆地裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)。將L1測線400～450 m的4次雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行對比，如圖7所示，從圖中可以看出，第一、二次探測時(shí)，同相軸（紅色曲線）沒有明顯變化，第三次探測時(shí)，同相軸出現(xiàn)斷裂情況，第四次探測時(shí)同相軸又呈連續(xù)狀態(tài)。

圖5　沉陷盆地劃分

圖6 L5測線第1、3、4次探地淺部地層（<10 m）雷達(dá)剖面圖

圖7 L1測線400～450 m 4次探測雷達(dá)剖面對比圖

這與L5測線情況相同，即第三次探測時(shí)地表階梯型裂縫剛形成導(dǎo)致層位斷裂，第四次探測時(shí)裂縫被砂層充填層位連續(xù)。通過分析該層位相對深度的均值和方差，如圖8所示，同樣發(fā)現(xiàn)在4次探測過程中主要層位經(jīng)歷了相對深度變化從大到小，最后穩(wěn)定的這一過程，并且其相對位置并沒有明顯變化。

圖8 L1測線（400~450 m）4次開采主層位對比

3.3 探地雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率對比分析

3.3.1 探地雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率與深度關(guān)系對比分析

分別對比分析D1-D4鉆孔探地雷達(dá)探測所得含水率與實(shí)測含水率隨深度變化規(guī)律，如圖9、表3所示。

圖9 實(shí)測含水率與雷達(dá)反演含水率對比圖

D1-D4鉆孔探地雷達(dá)反演含水率平均分別為5.59、5.88、8.74和13.1 cm3/cm3。實(shí)測探地雷達(dá)含水率平均為4.70、4.91、6.27和11.09 cm3/cm3，含水率分別相差0.89、0.96、2.47和2.28 cm3/cm3。探地雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率隨深度變化規(guī)律相似，4個(gè)鉆孔兩種方法探測所得含水率相關(guān)系數(shù)分別為0.875、0.88、0.94和0.84（<0.01），表明探地雷達(dá)反演淺部地層含水率的可行性。另實(shí)測含水率隨深度變異系數(shù)較雷達(dá)探測含水率隨深度變異系數(shù)略大。外從圖中可以看出黏土、含砂黏土的含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂層含水率。

表3 4個(gè)鉆孔實(shí)測含水率與雷達(dá)探測含水率關(guān)系表

注：**表示顯著性相關(guān)（<0.01）。

Note: ** means significant correlation (<0.01).

3.3.2 探地雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率隨測線變化規(guī)律分析

圖10a為L2測線第一次雷達(dá)探測土壤含水率與實(shí)測含水率隨測線分布圖。

a. 第一次雷達(dá)探測與實(shí)測含水率對比圖

a. Comparison between first radar detection and measured moisture content

b. 雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率1:1圖

從圖10中可以看出，雷達(dá)探測含水率與實(shí)測含水率隨測線分布具有一定的相似性，兩次探測含水率相關(guān)系數(shù)為0.76（<0.01），均方根誤差為1.74 cm3/cm3，如圖10b所示。雷達(dá)探測土壤含水率平均為8.57 cm3/cm3，隨測線的變異系數(shù)為0.196。實(shí)測含水率平均值為7.50 cm3/cm3，隨測線的變異系數(shù)為0.221。兩種方法所得含水率差值平均為1.07 cm3/cm3，實(shí)測含水率變異系數(shù)較雷達(dá)探測含水率變異系數(shù)大。兩種方法獲得鉆孔含水率及剖面含水率分析結(jié)果顯示，利用探地雷達(dá)能夠得到與實(shí)測結(jié)果相近的土壤含水率。

3.4 采煤沉陷對淺部地層含水率變化影響

L1測線位于地下巷道上方，煤層開采后該地區(qū)地表破壞最嚴(yán)重，是土地復(fù)墾重點(diǎn)地區(qū)，因此本次研究以L1測線為重點(diǎn)研究對象對地表土壤含水率變化進(jìn)行分析。圖11為L1測線4次雷達(dá)探測含水率剖面圖。從圖11中可以看出，4次探測雷達(dá)剖面含水率具有較高的相似性。土壤含水率隨深度變化均為從上至下依次增大；在測線方向上，含水率均呈中間高兩邊低的特點(diǎn)，這種變化主要是由土壤性質(zhì)變化引起。對比L1測線第1次探測和第3次探測含水率雷達(dá)剖面可以看出，在相同的探測條件下（探測時(shí)間均為旱季），煤礦開采后淺部地層土壤含水率顯著降低，反映到雷達(dá)含水率剖面上為紫色范圍增大，藍(lán)色范圍減小。其中第1次探測L1測線砂層平均含水率為7.15 cm3/cm3，第三次探測地層平均含水率平均為5 cm3/cm3，含水率平均降低2.15 cm3/cm3，含水率損失率平均為28.26%，如圖12a所示。第1次探測L1測線黏土層平均含水率為10.96 cm3/cm3，第三次探測地層平均含水率平均為9.55 cm3/cm3，含水率平均降低1.41 cm3/cm3，含水率損失率平均為12.85%，如圖12b所示。煤層開采含水率對砂層含水率影響大于黏土層含水率。

圖11 L1測線雷達(dá)4次探測含水率剖面圖

a. 砂層含水率

a. Sand water content

b. 黏土層含水率

為了對比蒸發(fā)等自然條件對淺部地層含水率的影響，本次研究選取了未開采區(qū)域L6測線進(jìn)行探地雷達(dá)淺部地層含水率探測，兩次探測土壤含水率平均值為8.04、7.83 cm3/cm3，含水率相差0.21 cm3/cm3，兩次探測土壤含水率相關(guān)系數(shù)為0.86（<0.01）。探地雷達(dá)探測淺部地層含水率剖面如圖13所示。從圖中可以看出，第1、3次探測淺部地層（<10 m）含水率在垂向上及沿測線方向變化規(guī)律相似，表明在未開采區(qū)蒸發(fā)等因素對淺部地層含水率影響不大。

圖13 L6測線雷達(dá)第一、三探測含水率剖面圖

3.5 淺層土壤剖面與含水率關(guān)系分析

從整個(gè)區(qū)域巖性結(jié)構(gòu)來看，研究區(qū)北部地層砂層較薄,（平均約為1.2 m），其下部黏土層埋深較淺；南部砂層厚度較大（平均約為4.5 m），其下部黏土層埋深較大。黏土是很好的隔水層及儲水層[37]，而砂層是較好的導(dǎo)水層，因此在淺部地層（<10 m）黏土層厚度越大，地層土壤含水率越大，這也是導(dǎo)致研究區(qū)淺部地層含水率北大南小的主要因素。

對比L1測線第2、4次探測所得淺部地層含水率剖面，如圖14a、14b所示。從圖14a中可以看出，第4次探測期間淺部地層（<10 m）的含水量（平均為10.86 cm3/cm3）大于第1次未開采地層的含水量（9.3 cm3/cm3），這與第4次降水量較大有關(guān)（降雨量分布如圖2所示）。其中L1測線上部0～6 m范圍內(nèi)主要為砂層，兩次探測砂層平均含水率分別為5.31%，7.44%，含水率增大2.11%，土壤含水率增大范圍在5%～56%之間，平均增大范圍為27.89%。黏土層兩次探測含水率分別為11.46%、11.96%，含水率增大0.5%，含水率增大范圍在?19.13%～19.59%，平均增大范圍為4.79%，如圖14b所示。即黏土類結(jié)構(gòu)層含水量變化較小，砂層結(jié)構(gòu)含水量變化較大，說明黏土類地層受降雨影響較小，砂層結(jié)構(gòu)地層含水量受降雨影響較大。因此可以推測相比黏土層，砂層含水率更易受外界因素（降雨、沉陷）的的影響。另外降雨是控制研究區(qū)淺部地層土壤含水率的關(guān)鍵因素。

a. 砂層含水率

a. Water content of sand

b. 黏土含水率

4 結(jié) 論

本次研究利用探地雷達(dá)對煤礦前后淺部地層土壤剖面及土壤含水率進(jìn)行了探測，并利用鉆孔地質(zhì)編錄及取樣實(shí)測含水率對雷達(dá)探測結(jié)果進(jìn)行了矯正。得出以下結(jié)論：

1）利用探地雷達(dá)結(jié)合鉆孔編錄能夠很好的反映淺部地層的結(jié)構(gòu)特征，研究結(jié)果顯示研究區(qū)淺部地層土壤介質(zhì)主要分為砂層、黏土層和風(fēng)化帶三類。煤層開采對淺部地層產(chǎn)生一定影響，但煤層結(jié)構(gòu)在開采后整體并未發(fā)生明顯變化。

2）利用探地雷達(dá)能夠得到與實(shí)測精度相近的淺部地層含水率。煤礦開采對淺部地層含水率產(chǎn)生較大的影響。在均為旱季時(shí)，煤層開采后淺部地層含水率顯著降低，其中砂層結(jié)構(gòu)土壤含水率損失率平均為28.26%，黏土層含水率損失率平均為12.85%，煤層開采對砂層含水率影響更大。

3）對沉降穩(wěn)定后淺部地層含水率分析顯示，降雨是控制煤礦開采區(qū)淺部地層含水率的主要因素。其中砂層在降雨后含水率變化較黏土層大，這與煤礦開采影響規(guī)律相似。

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Using ground penetrating radar combined with borehole to detect soil profile and water content in coal mining subsidence area

Wu Zhiyuan1, Peng Suping1, Cui Fan1, Nie Junli2

(1.,,100083,;2.,,,550025,)

In this study, to analyze the influence of coal seam mining on formation structure and water content, ground penetrating radar (GPR) combined with borehole sampling was firstly used to detect and analyze the change of shallow stratum medium and its structure in the process of coal mining. Then the soil water content of different soil media in the shallow strata of coal mining area is determined by GPR and sampling. Finally, the changes of strata structure and moisture content of different soil media under the influence of coal seam mining conditions is compared. The objectives of this research were to analyze 1) the change of the sedimentary structure of the shallow strata before and after coal mining, and determine the influence of coal mining on the soil profile of the shallow strata; 2) the influence of coal mining on the distribution of soil moisture in surface soil; and; 3) the relationship between different soil media and soil moisture content in shallow strata under coal mining conditions to provide scientific basis for reclamation after mining. The radar detection drilling results showed that the soil medium structure of the shallow layer (< 10 m) in the mining area of coal mine mainly included sand layer, clay layer and weathering layer from the top to the bottom. The water cut detected by GPR was similar to the measured water cut with depth. The correlation coefficients of water cut detected by the two methods for the four boreholes were 0.875, 0.88, 0.94 and 0.84, respectively. The results also showed that the water content of clay and sand clay was much higher than that of sand. Coal mining had a certain impact on the shallow soil profile, but the soil profile remained unchanged. After coal mining, the water content of shallow soil decreased significantly. The water content of sand layer in L1 measured in the 1st and 3rd times decreased by 2.15% on average, and the water content loss rate was 28.26% on average. The moisture content loss rate of clay layer in the first and third detection was 12.85% on average. This showed that coal mining had a great influence on soil moisture content of sand structure. The average moisture content of the sand layer detected in the second and fourth times was 5.31% and 7.44%, respectively. The increase range of moisture content was between 5% and 56%, and the average increase range was 27.89%. The water content of clay layer detected twice was 11.46% and 11.96%, respectively, with an increase of 0.5%, 19.13% - 19.59% and an average increase of 4.79%. That was to say, the moisture content of clay structure layer changes little while that of sand structure changed greatly. This indicated that the clay stratum was less affected by rainfall and the water content of sand stratum wsa more affected by rainfall. The shallow soil moisture was mainly affected by rainfall.

soils; water content; ground penetrating radar systems; coal mining area

2019-01-03

2019-06-09

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤礦資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLCRSM17KFA06)

吳志遠(yuǎn)，博士，研究方向主要為土壤修復(fù)。Email：15201359815@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.031

S152.7

A

1002-6819(2019)-14-0243-09

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Wu Zhiyuan, Peng Suping, Cui Fan, Nie Junli. Using ground penetrating radar combined with borehole to detect soil profile and water content in coal mining subsidence area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 243－251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.031 http://www.tcsae.org