Vol.27 No.1 刘敦文等：采空区充填物探地雷达识别技术研究及应用 ·15◆ 根据探地雷达探测理论，模型中空区在雷达 地雷达图像也有些变化.当模型空区中充填介质 图像中显现的图像特征为双曲线.如图2中所 为空气时，空区在探地雷达图像中呈现的曲线很 示，在雷达图像剖面中均己标出了模型中的两个 尖，这是由于模型介质的介电常数与空气的介电 空区的位置，其深度与距测线起点的水平距离， 常数相差很大：当模型空区中充填介质为泥浆 可通过移动软件中双光标标出，图中已标出了右 时，空区在探地雷达图像中呈现的曲线较尖，这 侧的空区位置，即深度245mm,距测线起点距离 是由于模型介质的介电常数与泥浆的介电常数 分别为308,336,308,411mm.各个图中空区距测 相差较大；当模型空区中充填介质为干砂时，空 线起点有些差异，这是由于考虑到距测线起点位 区在探地雷达图像中呈现的曲线变得较小，这是 置对该实验结果没有影响，在测试过程中，每次 由于模型介质的介电常数与干砂的介电常数相 在测线AB上放置雷达天线起始位置时，没有完 差很小；当模型空区中充填介质为水时，空区在 全一致所致. 探地雷达图像中呈现的曲线变得较大，但较宽， 从探地雷达图像中可知，空区深度245mm, 这是由于模型介质的介电常数与水的介电常数 对应的雷达波双程走时为3.838s.通过雷达软 相差较大，以及空区中的水已将空区周围区域浸 件反算，可求得雷达波的平均速率为115.3m/μs. 湿所致. 根据公式(4)可求出模型的相对介电常数.当然， 从表1可以看出，对于同一空区，其充填介质 这样计算得到的模型介质相对介电常数会有些 不同，其图像特征也不一样.对两种不同的充填 误差，但足以满足后面相互比较的精度要求. 介质而言，若其各自与模型本身介质的相对介电 从不同充填介质的探地雷达图像可以看出， 常数之差越接近，其各自之间的图像特征越相 随充填介质与模型介质的相对介电常数变化，探 似；反之，其图像特征差异性越大 表1各探地雷达图像中空区图像特征对比表 Table 1 Correlation table of GPR image feature for cavities 与模型介质的相对 介质 相对介电常数 探地雷达测试图 探地雷达图像中空区图像特征比较 介电常数之差 空气 1 5.77 图2(a) 图2(a)与(b)的空区图像特征极相似，相 泥浆 12 5.23 图2b) 似程度达80%以上 干砂 5 1.77 图2(c) 图2(c)与(d)的空区图像特征相差最大， 水 81 74.23 图2(d) 相异程度达90%以上 3应用实例 测线距离m 0 白银公司厂坝铅锌矿的主矿体由于屡遭群 采破坏，留下了数百个采空区.根据该矿矿体和 围岩的实际情况，选用RAMAC雷达的100MHz 天线进行空区探测，并对其充填状况作出判断. 图3为某一采空区的雷达探测成果图， 图3中，圆圈圈定处为采空区顶部出现位置， 两处采空区顶部位置分别距起点4.5~6.5m, 8.5-9.8m:深度分别为5.0-5.5m,5.5-6.0m.由于 该两处采空区异常点十分接近，其实际为一个大 10 的采空区的顶部两个至高点，故该两处异常点范 围内可能均为采空区，且其顶部离测试巷道地面 由深到浅.另外，图像表明，雷达波进入采空区 后，被吸收衰减得非常快.因此，可以推断此空区 15 内有一定深度的积水.该处探测结果后来被现场 图3采空区雷达探测图像 钻探结果验证， Fig.3 GPR image of gobl V b . 7 o 2 N . l 刘 敦文 等 : 采 空 区 充 填物 探地 雷达 识别 技术 研究及 应 用 根 据探 地 雷达 探 测理 论 , 模 型 中空 区在 雷 达 图像 中显现 的 图像特 征 为双 曲线 . 如 图 2 中所 示 , 在 雷达 图像 剖 面 中均 己 标 出 了模型 中 的两 个 空区 的位 置 , 其深 度 与距 测 线起 点的 水平 距 离 , 可 通过 移动 软件 中双光标 标 出 , 图中 己标 出 了右 侧 的 空 区位 置 , 即深 度 2 45 m m , 距 测 线起 点 距 离 分 别 为 30 8 , 3 3 6 , 3 0 8 , 4 l l mtn . 各 个 图 中空 区距 测 线起 点 有些 差异 , 这 是 由于 考虑 到距 测线 起 点位 置对 该实验 结 果 没有 影 响 , 在 测试 过程 中 , 每次 在测 线 A B 上放 置 雷达 天 线起 始 位 置 时 , 没有 完 全一 致 所致 . 从探 地 雷达 图像 中可 知 , 空 区 深度 245 ~ , 对应 的雷达 波 双 程走 时 为 .3 838 sn . 通 过 雷达 软 件反 算 , 可求 得 雷达 波 的平 均 速 率 为 1巧 . 3 耐哪 . 根据 公式 (4 )可 求 出模 型 的相 对介 电常数 . 当然 , 这样 计 算 得 到 的 模型 介 质 相 对 介 电常 数 会 有 些 误差 , 但足 以满 足 后 面相 互 比较 的精 度要 求 . 从 不 同充 填介 质 的探 地 雷达 图像 可 以看 出 , 随充 填介质 与 模型 介质 的相 对 介 电常数 变化 , 探 地 雷达 图像 也有 些变 化 . 当模 型 空 区 中充 填介 质 为 空气 时 , 空 区在探 地 雷达 图像 中呈 现 的 曲线 很 尖 , 这 是 由于模 型介 质 的介 电常 数与 空气 的介 电 常 数 相 差很 大 ; 当模 型空 区 中充 填介 质 为 泥 浆 时 , 空 区 在探 地 雷达 图像 中呈 现 的 曲线较 尖 , 这 是 由于模 型 介 质 的介 电常 数 与 泥 浆 的介 电常 数 相差 较 大 ; 当模 型 空区 中 充填 介质 为 干砂 时 , 空 区 在 探地 雷达 图 像 中呈 现 的 曲线变 得较 小 , 这是 由于模 型 介 质 的介 电常 数 与 干砂 的介 电常 数相 差 很 小 ; 当模 型 空区 中充 填 介质 为 水 时 , 空 区 在 探 地 雷达 图像 中呈 现 的 曲线变 得 较 大 , 但 较 宽 , 这 是 由于 模 型介 质 的介 电常数 与 水 的 介 电常 数 相 差较 大 , 以及 空区 中的水 已将 空 区 周 围区 域浸 湿 所 致 . 从表 1 可 以看 出 , 对于 同一 空 区 , 其 充填 介质 不 同 , 其 图像特 征 也 不一 样 . 对 两 种 不 同的 充填 介 质而 言 , 若其 各 自与 模型 本身 介质 的 相对介 电 常 数 之 差越 接 近 , 其 各 自之 间 的 图像特 征越 相 似 ; 反之 , 其 图像特 征 差 异性 越 大 . 表 1 各探 地 雷达 图像 中 空区 图像特 征对 比表 aT b le 1 C o r r e al it o n at b l e o f G P R ha a g e fe a t u cr fo r e a v i iet s 介质 空气 泥 浆 干 砂 相 对介 电常 数 与模 型介 质 的相对 介 电 常数之 差 探 地 雷达测 试 图 5 . 7 7 5 , 2 3 1 . 7 7 7 4 . 2 3 图 2 ( a ) 图 2 ( b ) 图 2 ( e ) 图 2 (d) 探 地 雷达 图像 中空 区 图像特 征 比 较 图 2 (a) 与 山) 的 空区 图像特 征极 相似 , 相 似 程度 达 80 % 以上 图 2 (c) 与 (d) 的空 区 图像特 征相 差最 大 , 相 异程 度达 90 % 以上 3 应 用 实 例 白银 公 司厂 坝 铅 锌 矿 的主 矿 体 由 于 屡 遭 群 采 破 坏 , 留下 了数 百个 采 空 区 . 根据 该矿 矿 体 和 围岩 的实 际 情况 , 选 用 R A M A c 雷 达 的 10 0 M H z 天 线进 行 空 区探 测 , 并 对其 充 填状 况 作 出判 断 . 图 3 为 某一 采 空 区 的雷 达探 测 成果 图 . 图 3 中 , 圆圈 圈定处 为采 空 区顶 部 出现位 置 . 两 处 采 空 区 顶 部 位 置 分 别 距 起 点 .4 5一.6 5 m, 8 . 5一 9 . 8 m ; 深度 分 别 为 5 . 0一 5 . 5 m , 5 . 5一 6 . 0 m . 由于 该两处 采 空 区异 常点 十分 接近 , 其 实 际为一 个 大 的采 空区 的顶 部 两个 至高 点 , 故 该 两处 异常 点范 围内可 能均 为采 空区 , 且 其 顶部 离测 试巷 道 地 面 由深 到浅 . 另外 , 图像 表 明 , 雷达 波 进入 采 空 区 后 , 被 吸收 衰减 得 非常 快 . 因此 , 可 以推 断此 空 区 内有一 定深 度 的积 水 . 该 处探 测 结果 后来 被 现场 钻 探结 果验 证 . 测线距离m/ 追侧ù澎举迷 图 3 采 空 区雷达 探测 图像 F i g . 3 G P R i m a g e o f g o b