探地雷达技术在采空区塌陷区复垦土壤紧实度评价中的应用

（山西华业土地矿产资源咨询有限公司，山西 太原 030000）

摘要：采矿造成的地表沉陷会造成原本平坦的耕地被毁坏，目前最常见的土地复垦法为充填法，但经过一段时间，局部又会出现不均匀沉降，使复垦效果大大降低。土壤紧实度是复垦效果的决定性因素，而影响紧实度的因素又包括充填土壤类型、施工机械、复垦年限等，探地雷达可通过探测来对比各因素对土壤紧实度的影响程度，为土地复垦工程作出评价并优化充填方法。

关键词： 探地雷达技术；采空区；土地复垦；土壤紧实度；应用中图分类号：TD88 文献标识码：A文章编号：1672-7487（2018）02-121-3

1 探地雷达技术原理介绍

探地雷达（英文简称GPR）又称为透地雷达，是利用频率在10-6-10-9Hz的无线电波来探测地下一定范围内介质分布情况的无损探测方法，包括金属和非金属等物体。其本质原理是通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地层介质中传播时遇到存在电性差异界面会发生反射，而地面接收器会接收反射波，根据反射波的波形、振幅强度、时间变化等参数来确定介质的空间位置、结构形态等内容[1]。

目前，探地雷达在小规模工程中应用广泛，其具有使用简单、技术成熟、分辨率高、效率高等显著优势。探地雷达技术应用于土地复垦质量检测中，可探明复垦土壤层位随时间的沉降、地裂缝的产生发展、地层结构性质变化等问题，有利于优化土地复垦技术[2]。

有990亿吨，且多为焦煤、瘦煤、肥煤等炼焦用煤，全市煤炭年产量在3.1-3.5亿吨。晋中市从2005年开始对煤炭开采破坏土地进行复垦治理，截至2017年底，已累计治理土地总面积12523.05公顷，治理率达到55.2%。采取的治理方法包括：疏排法、充填法、挖深垫浅法等，其中充填法是最为常见的治理措施。本文研究对象选取了三个不同土地复垦项目区，分别位于灵石县、平遥县、寿阳县境内，面积分别达到2300亩、1213亩、3245亩。

4 探 地雷达技术在复垦土壤紧实度评价中的应用

4.1 探地雷达技术指标

本项目选用加拿大Sensor&Software公司生产的EKKO型高频系列雷达，具体型号为Noggin250，雷达系统由计算机、控制板、发射和接收电路、发射和接收天线等组成，各部分技术参数见表1，本项目采用的探地方法为剖面法[4]。

表1 探地雷达系统参数

组成部分

技术指标

参数

2 土壤紧实度研究意义

土壤紧实度表示土壤抵抗外力能力，该指标直接影响着土壤孔隙度、容重、含水量等，是土壤物理性质的重要表现，从而决定了植物根系的生长环境及微生物含量等。土壤紧实度由土壤抗剪力、压缩力、摩擦力等组成，对水分入渗量、化肥利用率等均有很大影响[3]。

土壤紧实度的影响因素包括复垦工艺、施工机械、复垦年限等，应用探地雷达技术可快速准确地了解被测复垦土地的土壤紧实度情况，为后续农作物种植和土地复垦技术的优化提供合理建议。

3 项目概况

晋中市位于山西省中部，经地质勘查境内煤炭资源量约

系统增益＞160dB

预设视窗深度25，50，100，150ns

雷达

采集速度100000/s

10-20000ps里程

尺寸25×16×16cm

2.8kg重量

控制面板

电源12VDC（2.5A）

115KB，RS232串行接口接口

控制及显示计算机MS-DOS PC机，RAM0k以上、RS232接口

存储介质软硬磁盘输出格式PCX数码图像格式

作者简介：郭利刚（1981—），男，山西壶关人，博士，毕业于中国地质大学（北京），主要从事土地整治

与生态修复。（邮箱）jlyzsh@163.com

4.2 不同复垦情况下土壤GPR图像特征分析

4.2.1 不同充填物情况下的土壤GPR图像特征分析本项目包括的复垦项目其充填物分别如下：灵石县采用的是粉煤灰充填复垦；平遥县采用水库淤泥充填；寿阳县采用河砂复垦充填。

1）粉煤灰充填复垦

该复垦项目于2005年完成，复垦土地作为林地使用，图1是本项目探地雷达图像。从图中可知上部表层土壤结构均匀，反射波图像平整，中部粉煤灰和土壤混合层波形波动较大，因为粉煤灰和土壤介电特性反复变化。

表层土壤

粉煤灰、土

壤混合层底层粉煤灰层

图1 粉煤灰充填复垦土壤GPR图像

2）水库淤泥充填复垦

平遥县水库淤泥充填复垦项目于2009年完工，当时地陷深度达2.2m，所以就近开挖淤泥充填1.5m。由于淤泥质地黏重，紧实度大，容易形成积水区，电磁波会受富水区影响造成一些波动，但总体来看波形图还是较为平稳的（图2）。

图2 水库淤泥充填复垦土壤GPR图像

3）河砂充填复垦

寿阳县河砂复垦充填于2010年完工，河砂质地松软，充填厚度在0.8-1.0m，因此电磁波表现为波动频率和幅度较大，反映出土壤紧实度较差。其中A、B、C三处虽然位于同一深度位置，但波形图区别较大，分析是由于地下生物活动造成（图3）。

图3 河 砂充填复垦土壤GPR图像

综合分析，经不同充填物复垦后，土壤紧实度按照从小

到大依次为：粉煤灰＜河砂＜淤泥，复垦效果从好到坏依次为：粉煤灰、河砂、淤泥。由此可以得出：当复垦土地为林地、草地时，充填材料按照“节约成本、就近取材”原则即可；而针对耕地等利用价值较高区域，则选用粉煤灰、河砂等松散度较大的充填材料较好[5]。

4.2.2 不同机械施工下的土壤GPR图像特征分析目前常用的复垦施工机械有自卸汽车和履带式推土机，在人工土槽中模拟粉煤灰充填下自卸汽车和履带式推土机分别压实5次下土壤的GPR图像（图4）[6]。

图4 自 卸汽车（左）和推土机（右）碾压后土壤GPR图像由图中可知：自卸汽车对土壤结构层的破坏大于推土机，充填层出现了隔断现象，而推土机施工后土壤的GPR图像依然分层清晰。相对来说，自卸汽车的土壤紧实度小于

推土机。因此在复垦作业中尽量少用自重大的机械，且合理安排自卸汽车的卸料方式和路径，最大限度降低对充填层的碾压次数。

4.2.3 不同复垦年限下的土壤GPR图像特征分析为分析时间对复垦效果的影响，在此选取三个均使用煤矸石充填的复垦项目区，分别复垦完工时间为2年、5年、10年（GPR图像见图5）[7]，土地类型均为耕地。

图5 复 垦完成2年（左）、5年（中）、10年（右）土壤GPR图像

从图中可知：当复垦时间完工2年时，各地层结构分明，土壤紧实度也较大；复垦完工5年时，部分区段地层结构被破坏，波形图出现局部波动；复垦完工10年后，各地层结构出现了相互渗透，波形图也波动频繁，说明土壤紧实度降低，有利于植物生长。

综合分析：土壤紧实度随着复垦完工时间增长而逐步降低，耕地质量也逐步得到恢复。因此建议在复垦耕地前3-5年种植一些耐干旱、生命力较强的作物，待土壤紧实度降低后再种植经济作物。

参考文献：

[1] 胡振琪,陈宝政,陈星彤.应用探地雷达检测复垦土壤的 分层结构[J].中国矿业,2005,14(3):73-75.

[2] 刘宁,李新举,郭斌,等.基于修正介电常数模型的煤矿区 复垦土壤压实评价[J].水土保持学报,2016,30(4): 318-322.

[3] 白哲.基于探地雷达的路基土压实度确定[J].重庆交通 大学学报(自然科学版),2015,34(2):58-62.

[4] 郭淑丽.基于GPR的复垦土壤压实探测模型研究[D].山东 农业大学,2013.

[5] 刘宁.基于探地雷达的复垦土壤压实与工程质量评价[D]. 山东农业大学,2016.

[6] 白哲.基于探地雷达的路基土压实度确定[J].重庆交通大 学学报(自然科学版),2015,34(2):58-62.

[7] 赵艳玲,王金,贡晓光,等.基于探地雷达的复垦土壤层次 无损探测研究[J].科技导报,2009,27(17):35-37.

5 结语

通过应用探地雷达技术探明了复垦充填物、施工机械、复垦年限对土壤紧实度的影响，其中充填物的质量由好到坏依次为：粉煤灰、河砂、淤泥，因此耕地尽量用粉煤灰；自卸汽车相对于推土机对土壤紧实度影响小；土壤紧实度随着复垦年限的增长而逐渐减小。