雷达探测技术在矿山地质检测准确性当中的应用

赵 辉

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610000）

随着我国矿山工业的快速发展，矿山地质工程已经成为了建设过程中非常重要的组成部分。对于矿山工程来说，地质雷达检测方式因为具有准确、快速以及直观等优势在矿山地质检测中得到了普遍应用，一定程度上已经成为了矿山施工质量控制与检测最为重要的手段。但矿山地质检测常常会受到施工机械设备、检测基面平整度较差、检测车行走颠簸等方面的影响而造成地质雷达所采集到的数据不够清晰准确，数据的质量不高。这就造成后续数据处理过程中缺少准确的数据支持而造成误差较大、缺陷定位不够准确以及遗漏等方面的问题。对影响地质雷达检测准确性的相关因素进行分析，最大程度上降低检测误差，这对于进一步推动我国矿山产业发展具有非常重要的作用。

1 地质雷达检测的基本原理介绍

地质雷达和航空雷达具有类似之处，都是通过高频脉冲电磁波的反射进行物体的探测，所以也可以称之为探地雷达。一般情况下都是通过主频在106Hz～109Hz范围内的电磁波通过宽频带短脉冲的方式从地面利用天线发射器发射到地下，通过地下目标物体或者矿层界面的反射之后返回到地面之上而被雷达天线接收器接收。之后对于接收到的雷达信号实施必要的处理以及图像解释之后就能够探测到地下的目标矿体。

图1所示为地质雷达用于矿山地质检测的基本原理。在进行矿山地质检测过程中，在矿区界面的位置会存在较大的介电常数差异，因而在雷达图像方面会具有非常明显的反射，这样就能够明确矿体的厚度。一旦在其背后存在着空洞，那么在雷达图像中空洞以及矿区界面位置会有低频强反射波，这样就能够判断出矿体空洞的位置。

图1 地质雷达检测基本原理

2 地质雷达用于矿山地质检测准确性影响因素分析

从相关参考文献以及实际地质雷达现场检测情况来看，对于地质雷达用于矿山地质检测准确性具有影响的因素如图2所示。

图2 地质雷达用于矿山地质检测准确性影响因素

2.1 参数采集问题分析

通过地质雷达进行矿山地质检测的主要参数包括增益点数、介电常数、采样率等等。增益点数以及每个增益值的情况要根据检测人员所具有的实际经验来进行现场调试，目的就是要确保现场测试图像可以满足后续数据解释方面的要求；对于现场参数采集设置来说，最为重要的指标就是介电常数。

一般情况下要进行现场标定，标定的次数要按参考矿层厚度、矿区矿龄期、矿山地质含水率等等来确定；采样时窗长度主要就是指从数据采集开始到结束过程中的长度。此参数的确定要参照需求的探测深度以及发射脉冲在地下介质中的传播速度等因素，可以用如下公式表示：

其中W表示的为时窗长度，单位为ns；d表示的为探测深度，单位为m；v表示的为传播速度，单位为m/ns。

采样率主要用于记录反射波采样点间的时间间隔。为了确保能够得到完整的记录波形，可以设定采样率为天线中心频率的10倍，这样能够获取较好的地质雷达时间深度剖面图。

2.2 标记问题的分析

如果在矿山地质检测区域内具有不同类型的支护，那么可能会出现标记混乱或者缺失，这就会造成支护类型分界点周边衬砌厚度评定出现错误，从而造成评定结果的偏差。如果矿山地质施工质量控制检测与矿山建筑工程验收检测出现标记不一致的问题就会造成前期施工质量控制检测结果和后期竣工验收检测结果的偏差。

所以为了有效提升检测以及评定结果的准确性，需要在检测区间内设定标记（间隔5m设定1个标记，间隔10m设定标记桩号，确保标记桩号和施工桩号的一致性）。另外，在实际测试过程中一定要按照标记进行喊标和打标，完成测试之后需要对里程以及标记进行进一步核实，保证现场记录表的检测段和实际里程能够有效对应，同时要准确记录发生误打、漏打标记的位置和洞身预留洞室的位置。

2.3 处理参数选择问题分析

对于矿山地质检测数据处理来说，最为重要的就是地质表面波拾取、波速的确定以及反射层面的拾取等等。在处理过程中要选择合适的处理参数，确保每一项的处理能够真正起到作用。

2.3.1 表面波的拾取

从上述内容表述的地质雷达探测原理中可知，此种方式探测成功与否在很大程度上取决于系统是否能够接收并识别到足够多的反射或者散射能量。一旦目标体和周边矿体的相对介电常数之间具有差异时，目标体的反射系统就可以按照电磁波反射理论进行计算，具体公式如下：

其中Ri表示的为反射系数；表示的为第1层物质的介电常数；表示的是第2层物质的介电常数。矿山地质矿层中的电磁波主要是从空气中传入到矿层当中。

所以第1层物质（空气）的介电常数选择为1，第2层物质的介电常数选择为6.4，所以地质土表面反射系数Ri为-0.4334，一般情况下地质土表面首波理论应为负波。在首波拾取过程中需要选择波形的第1个最大负波峰，此负波峰属于一个布克子波的组成部分，上下各有一个非常小的正波峰。

2.3.2 介电常数的标定

从地质雷达检测的基本原理中可知，在电磁波传播时间确定的条件下目标体厚度和电磁波在介质中传播的波速成正比，所以目标体介质所具有的波速直接影响目标矿体的厚度。所以在正式检测之前需要对矿山地质矿体介电常数或者电磁波波速实施现场的标定，要保证每段矿山道标定位置在1处以上，并且每一处测试3次以上，最终取平均值来当作此矿山地质矿体介电常数或者电磁波的波速。

具体标定的位置和测试的次数要按照实际情况具体设定，若是矿山的长度在3km以上并且衬砌材料或者含水量具有较大变化时需要一定程度上增加介电常数的标定数量。

对于矿山地质矿体介电常数或者电磁波速的标定可以采取如下方式进行：第一，可以在矿山地质测量位置采用双天线直达波法进行测量；第二，在已知矿体厚度位置或者矿山材料相同的其他预制件上进行测量；第三，对于矿山地质实施钻孔标定。

2.4 天线和矿山地质耦合问题分析

在对矿山地质检测过程中要确保天线和矿体表面的紧密贴合。图3、图4分别表示某矿山（初支设计有间距1.2m的钢拱架分布）地质检测过程中同样里程区域未贴紧和紧贴矿体表面的情况。

图3 天线未贴紧衬砌表面时图像

从图3、图4中能够得知，在天线紧贴矿体表面的情况下能够显示出非常清晰的钢拱架信号，从而为资料的分布提供了非常准确可靠的数据。但是在天线未贴紧矿体表面时，不能明显看到钢拱架信号，这就对分析判断造成了非常严重的影响，同时会在雷达图像的下部表现出较为强烈的多次反射波。这主要是因为电磁波会在天线和矿体表面之间多次反射所造成的，以此也能够判定天线是否和矿体表面紧贴。

2.5 矿层龄期问题分析

通过对不同龄期矿层实施地质雷达测试可知：矿体内部的钢拱架清晰程度会随着矿层龄期的增加而越发清晰。这主要是因为相对于矿山地质来说，水的相对介电常数具有比较大的差距，由于矿层土含水率会随着时间变化而逐渐降低，这就造成了矿层相对介电常数会随着龄期的增加而降低。随着相对介电常数的下降，电磁波的穿透力会逐渐增强，从而获得较为清晰的雷达影响。

对于矿山地质来说，不同龄期的矿层存在着较大的差别。例如在28天龄期之内的矿层含水量会随着时间的增加而逐渐下降，介电常数会逐渐减小，雷达图像当中的特征结构体更加的显著；在28天-50天龄期的矿层含水量不会出现较大的变化，相对介电常数基本不会发生改变；50天龄期之上的矿层内含水量基本稳定，相对介电常数也逐渐稳定。所以为了防止检测数据出现比较大的偏差，最好在矿体龄期在28天之后进行检测。

2.6 反射层拾取问题分析

反射出拾取的准确性在很大程度上决定着地质雷达对矿山地质检测结果的准确性。所谓的反射层拾取就是指在雷达影像中找到2种不同介质的接触面。

随着介质介电常数差距的增加，所得雷达图像界面的地质特征会更加明显，反射层的拾取就更加准确。所以在进行数据解释过程中最大程度上将和矿山介电常数差距非常大的物质当作分层依据。

2.7 现场检测过程中的干扰问题分析

2.7.1 预埋管线的干扰

预埋管线的图像特征如图5所示，其和矿山的区别在于：预埋管线在雷达剖面图种属于标准的双曲线反射，但是空洞大多为不规则的弧状强反射。

图4 天线紧贴衬砌表面时图像

图5 预埋管线的雷达剖面

2.7.2 矿层底部不平整的干扰

通过地质雷达进行隧道扫描过程中需要保证隧道底部的平整性。图6所示为矿层底部不平整时显示的雷达剖面情况。

图6 矿层底部不平整显示的雷达剖面

从图6中可知，因为矿层底部的不平整而造成天线发生抖动，和矿层底部的耦合较差。雷达剖面图上的特征表示为：反射波同相轴不够连续，同时伴随着很多次的波反射，随着测线方向直达波起跳点不一致等等。

3 结语

随着矿产行业的快速发展，矿山建设的数量和规模都在不断增加，确保矿山地质检测的准确性在很大程度上影响着矿山的施工质量。本文主要阐述地质雷达用于矿山地质检测中的影响因素内容，通过本文的介绍能够对矿山地质检测提供一定的参考和帮助。