無線電波透視技術(shù)在工作面隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測中的應(yīng)用

王 錚，易洪春

（1.河北冀中邯峰礦業(yè)有限公司 新三礦，河北 邯鄲 056201；2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引 言

回采工作面形成過后，提前對工作面進(jìn)行探測，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造情況，是保證煤礦安全生產(chǎn)、促進(jìn)煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的必要條件。而目前廣泛采用的物探方法主要包括電磁法、音頻電透視法、槽波地震法和無線電波透視法。無線電波透視技術(shù)具有施工方便、探測精度高和探測成本低等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外礦井廣泛采用，并在實(shí)際探測中也取得了顯著效果[1-5]。

理論方面，高校及煤炭科研院所的科研人員對無線電波透視技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中在電磁波傳播基本理論、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)反演、資料解釋方面。吳燕清等進(jìn)行了電磁波透視收斂算子成像技術(shù)的研究[6]；劉鑫明等改進(jìn)了無線電波透視技術(shù)的振幅衰減常數(shù)，提高了層析成像的反演精度[7]；董一飛等將菲涅帶理論引入電磁波層析成像中，對無線電波層析正則化方法展開了系統(tǒng)研究[8]；岳蕾等分析了電磁波在煤層中的傳播規(guī)律，并對全波形概率反演展開了研究[9]。這些研究均很好地提高了無線電波透視技術(shù)的探測能力和反演解釋精度。

本文將無線電波透視技術(shù)用于工作面隱伏構(gòu)造探測，取得了良好的探測效果。

1 無線電波透視技術(shù)基本原理

1.1 基本理論

在不考慮電磁散射的前提下，電磁波的傳播路徑可以用射線近似，此時(shí)煤層中傳播的電磁波可近似用下式表示：

式中：Hp為介質(zhì)中場點(diǎn)的實(shí)測場強(qiáng)，A/m；H0為發(fā)射初始場強(qiáng)，A/m；r 為場點(diǎn)與源點(diǎn)的距離，m；θ 為發(fā)射天線軸與觀測點(diǎn)方向間的夾角；β 為介質(zhì)吸收系數(shù)，其表達(dá)式為：

由式（2） 可知，吸收系數(shù)β 是介質(zhì)（煤或巖石） 的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ 和電磁波角頻率ω 的函數(shù)。

1.2 層析成像技術(shù)

美國的科學(xué)家R.J.Lyle 等人率先把醫(yī)學(xué)CT 引入地學(xué)領(lǐng)域，從而推動(dòng)了電磁波層析成像技術(shù)在物探領(lǐng)域的應(yīng)用和研究。

發(fā)射天線平面與發(fā)射點(diǎn)到觀測點(diǎn)連線的夾角不大時(shí)，sinθ≈1，式（1） 轉(zhuǎn)化為：

圖1 是將一個(gè)工作面網(wǎng)格化剖分的示意圖。

圖1 層析成像網(wǎng)格剖分示意Fig.1 Grid subdivision of tomographic imaging

圖中每個(gè)均勻的小塊稱為1 個(gè)像素，在此區(qū)域內(nèi)有1 條射線yk穿過了吸收系數(shù)分別為βi,j的諸像素，并在這些像素上的截距分別為di,j。這樣在第k 條射線路徑上則有：

這里yk=1nH0-1nHk-1nrk。

式中：Hk為第次觀測的實(shí)測場強(qiáng)值；rk為第k 條射線長度，即。

若進(jìn)行多重觀測，即用多個(gè)波源發(fā)射，并對每個(gè)發(fā)射源進(jìn)行多點(diǎn)接收測量，即可得到如下矩陣方程：

對線性代數(shù)方程組（5） 求解，就可以得到工作面內(nèi)吸收系數(shù)的分布。把每個(gè)像素內(nèi)吸收系數(shù)的值用圖（色塊圖、灰度圖、等值線圖） 表示出來，就是層析圖像。圖像可直觀表示工作面內(nèi)異常分布情況，對它可做出相應(yīng)的地球物理解釋。

2 數(shù)值模擬

進(jìn)行理想化模型的數(shù)值模擬，分析其探測有效性和探測效果，是實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)含1 個(gè)陷落柱和1 條斷層的地質(zhì)模型。工作面長600 m，寬200 m，煤層吸收系數(shù)為0.5，左側(cè)陷落柱長軸80 m、短軸60 m，吸收系數(shù)為0.7，右側(cè)斷層落差為5 m、在工作面內(nèi)延展長度為120 m，吸收系數(shù)為0.6。斷層、陷落柱中心位置位于工作面中心。依據(jù)常規(guī)的井下工作面無限電波透視的數(shù)據(jù)采集方法，設(shè)計(jì)發(fā)射點(diǎn)間距50 m，接收點(diǎn)間距10 m，每條巷道分別布置發(fā)射點(diǎn)13 個(gè)，接收點(diǎn)61 個(gè)，發(fā)射初始場強(qiáng)為150 dB（圖2）。

圖2 含異常構(gòu)造的工作面地質(zhì)模型Fig.2 Geological model of working face with abnormal structure

根據(jù)收發(fā)點(diǎn)位置關(guān)系及模型吸收系數(shù)，可以計(jì)算出各接收點(diǎn)的理論場強(qiáng)值、實(shí)測場強(qiáng)值和衰減系數(shù)（圖3 ～圖5）。

圖3 電磁波穿透均勻煤層時(shí)無線電波透視綜合曲線圖Fig.3 Comprehensive curve of radio wave perspective with electromagnetic wave penetrating uniform coal seam

圖3 所示為電磁波穿透均勻煤層時(shí)無線電波透視綜合曲線圖（三角線▲表示理論場強(qiáng)，圓點(diǎn)線●表示實(shí)測場強(qiáng)，菱形線◆表示衰減系數(shù)）。在均勻煤層中，影響透射電磁波場強(qiáng)值的主要因素為收發(fā)點(diǎn)距離，接收場強(qiáng)值隨距離增大呈圓弧形對稱分布。

當(dāng)工作面中存在異常構(gòu)造時(shí)，影響透射電磁波場強(qiáng)值的主要因素則變成穿透區(qū)域的介質(zhì)對電磁波的吸收能力。從圖4 可以看出，當(dāng)電磁波穿透陷落柱時(shí)，電磁波場強(qiáng)值會(huì)有較大的衰減。整體上看，接收的電磁波場強(qiáng)值會(huì)以陷落柱為中心，呈倒“人”字形對稱分布，當(dāng)電磁波穿透到陷落柱中心時(shí)，接收電磁波場強(qiáng)值會(huì)達(dá)到最小，衰減系數(shù)達(dá)到最大。從圖5 可以看出，當(dāng)電磁波穿透斷層時(shí)，在部分接收點(diǎn)尚未進(jìn)入斷層“陰影區(qū)”，電磁波接收場強(qiáng)值與理論值接近，衰減系數(shù)不變，為均勻煤層衰減系數(shù)；當(dāng)接收點(diǎn)進(jìn)入斷層影響范圍時(shí)，接收場強(qiáng)值會(huì)明顯變小，且接收場強(qiáng)值與理論值變化趨勢基本一致，對應(yīng)介質(zhì)電磁波衰減系數(shù)基本成“一”字型分布。當(dāng)接收點(diǎn)走出斷層“陰影區(qū)”后，接收場強(qiáng)值恢復(fù)正常，衰減系數(shù)回歸均勻煤層衰減系數(shù)。

圖4 電磁波穿透陷落柱時(shí)無線電波透視綜合曲線圖Fig.4 Comprehensive curve of radio wave perspective with electromagnetic wave penetrating collapse column

圖5 電磁波穿透斷層時(shí)無線電波透視綜合曲線圖Fig.5 Comprehensive curve of radio wave perspective with electromagnetic wave penetrating fault

根據(jù)正演計(jì)算的實(shí)測場強(qiáng)值，結(jié)合含隱伏異常構(gòu)造模型工作面的相關(guān)參數(shù)，采用SIRT 算法對工作面進(jìn)行離散圖像重建，設(shè)計(jì)迭代20 次，考慮計(jì)算誤差的條件下，反演出工作面煤體衰減值為0.507 0 ～0.609 6 dB，對應(yīng)反演成果圖如圖6 所示。

圖6 異常構(gòu)造工作面模型反演成果圖Fig.6 The inversion results of abnormal structure working face model

圖6 中可見，無構(gòu)造均質(zhì)工作面區(qū)域內(nèi)，電磁波衰減系數(shù)為0.5，相對均勻；在構(gòu)造影響區(qū)中，陷落柱中心區(qū)域衰減系數(shù)為0.62 左右，斷層中心區(qū)域衰減系數(shù)為0.58 左右，陷落柱的影響范圍在無線電波透視成果圖上呈橢圓形分布，斷層則成條帶狀分布，幾何尺度相差不大的異常構(gòu)造中，陷落柱在響應(yīng)程度及范圍上均大于斷層構(gòu)造。

3 井下無線電波透視探測實(shí)例

回采工作面陷落柱或斷層的存在對煤礦的安全生產(chǎn)帶來了一定的隱患，為確保安全開采，特采用無線電波透視技術(shù)對羊東礦8269 工作面進(jìn)行探測，查明工作面內(nèi)的陷落柱和落差大于1/2 煤厚的斷層等構(gòu)造的發(fā)育情況。

3.1 地質(zhì)概況

該工作面煤層為二疊系山西組2 號煤（大煤），煤厚5.22 ～5.91 m，平均厚度5.8 m，煤層穩(wěn)定，整體坡度比較平緩，工作面間接頂板為山西組砂巖含水層，該含水層富水性弱，開采揭露后呈淋水、滴水狀態(tài)，涌水較為穩(wěn)定；工作面的地質(zhì)構(gòu)造相對比較簡單，進(jìn)風(fēng)順槽揭露正斷層F65（∠67°，H=3.1 m），工作面長610 m，寬230 m。

3.2 數(shù)據(jù)采集

探測前，先對8269 工作面進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)。溜子道標(biāo)點(diǎn)：點(diǎn)號0 ～60 號，點(diǎn)距10 m；運(yùn)料巷標(biāo)點(diǎn)：點(diǎn)號500 ～560 號，點(diǎn)距10 m。點(diǎn)號都是從切眼往外依次增大。

無線電波透視儀器的工作頻率直接影響到透視距離和對異常的分辨能力，選擇最佳工作頻率是恰當(dāng)顯示“透視異常”的關(guān)鍵。經(jīng)井下探測頻率條件試驗(yàn)，選用0.3 MHz 頻率進(jìn)行工作面透視工作。

此次探測采用“定點(diǎn)法”，發(fā)射點(diǎn)間距為50 m，接收點(diǎn)間距為10 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射對應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn)接收，發(fā)射點(diǎn)24 個(gè)，接收數(shù)據(jù)254 個(gè)。具體做法為，首先從溜子道5 號點(diǎn)處發(fā)射電磁波，在運(yùn)料巷500 ～510 號點(diǎn)接收場強(qiáng)值，然后按照由內(nèi)向外的順序逐個(gè)完成整個(gè)溜子道的發(fā)射和運(yùn)料巷的接收。接著交換巷道，按照相同的方式，完成運(yùn)料巷的發(fā)射和溜子道的接收（圖7）。

圖7 數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)示意Fig.7 Data observation system

3.3 數(shù)據(jù)處理與地質(zhì)解釋

圖8 為8269 工作面溜子道和運(yùn)料巷不同發(fā)射點(diǎn)的接受場強(qiáng)綜合曲線，圖中橫坐標(biāo)X 軸為接受機(jī)所在巷道接受點(diǎn)號相對位置，縱坐標(biāo)Y 軸為實(shí)測場強(qiáng)數(shù)值H（dB）。

圖8 接收場強(qiáng)綜合曲線Fig.8 Comprehensive curve of receiving field strength

從實(shí)測數(shù)據(jù)曲線可以看出，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，數(shù)據(jù)值量級大，分布穩(wěn)定，且對異常體有較好的反映。圖8 中522 號測點(diǎn)附近的值呈倒“人”字形對稱分布，另一巷道與之對應(yīng)的15 ～25 號測點(diǎn)值也明顯偏低，為陷落柱異常標(biāo)志；40 ～50 號測點(diǎn)的場值比正常值偏低，為斷層標(biāo)志。

圖9 為8269 工作面坑透實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過層析成像技術(shù)處理，得到的電磁波衰減系數(shù)反演成果圖。圖中呈現(xiàn)2 處明顯的異常區(qū)與接受場強(qiáng)綜合曲線中的2 處場強(qiáng)低值區(qū)相對應(yīng)，記為1 號異常區(qū)和2 號異常區(qū)，其異常范圍及地質(zhì)推論見表1。

表1 8269 工作面異常范圍及地質(zhì)推論Table 1 The abnormal range and geological inference of No.8269 face

圖9 8269 工作面電磁波衰減系數(shù)層析成像反演成果圖Fig.9 The inversion results of electromagnetic wave attenuation coefficient tomographic imaging in No.8269 Face

經(jīng)打鉆，斷層和陷落柱得到驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1） 介紹了電磁波在介質(zhì)中的傳播機(jī)理，并模擬了存在異常構(gòu)造的情況下，電磁場的傳播與分布情況；分析了不同構(gòu)造的衰減曲線特征及層析成像特性。通過數(shù)值模擬研究，證明了無線電波透視技術(shù)對于工作面隱伏構(gòu)造探測的可行性和有效性。

（2） 從探測成果圖可知，無線電波透視技術(shù)在橫向上（巷道走向方向） 有較強(qiáng)的分辨能力，異常位置能與實(shí)際位置對應(yīng)準(zhǔn)確；但在縱向上（巷道走向垂直方向），探測成果異常范圍較實(shí)際情況大，形成一定的陰影區(qū)，異常范圍有所擴(kuò)大，這與無線電波透視技術(shù)在施工方式上缺少對縱向數(shù)據(jù)的約束相關(guān)。這就要求在進(jìn)行資料處理解釋時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對數(shù)據(jù)曲線、反演成果圖的綜合分析，并結(jié)合已知地質(zhì)資料，提高物探結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3） 無線電波透視技術(shù)在8269 工作面探測的斷層和陷落柱，得到井下實(shí)際打鉆驗(yàn)證，說明利用無線電波透視技術(shù)探測井下隱伏地質(zhì)構(gòu)造是十分有效的。