无线电波透视法在杨庄煤矿WⅢ517工作面的应用

摘要：为了进一步探测巷道已揭露断层在面内延伸情况及内部隐伏断层和煤层变薄区，利用煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常的原理，从而进行地质推断和解释，为WⅢ517工作面回采提供较为可靠的地质资料。

关键词：坑道无线电波透视法、地质构造、WKT-E型坑透仪、数据

中图分类号：TN93 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

1、概 况

1.1 目的

杨庄矿WⅢ517工作面内部地质构造较复杂，掘进施工过程中，坑透区域内共揭露断层7条。为了进一步探测巷道已揭露断层在面内延伸情况及内部隐伏断层和煤层变薄区，为工作面回采提供较为可靠的地质资料。淮北矿业股份有限公司杨庄煤矿委托淮北矿业集团勘探工程有限责任公司于2013年1月14日对该面进行了井下坑透探测工作。

1.2 任务

采用无线电波透视技术对杨庄矿WⅢ517工作面进行探测，通过工作面内煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的透视异常，从而进行地质推断和解释。依据探测结果，圈定出工作面煤层内构造发育位置和分布范围。

1、基本查明WⅢ517工作面风、机巷及切眼揭露断层在面内的延伸范围及摆动情况；

2、基本查明工作面内的隐伏构造情况及其影响范围；

3、对工作面煤层厚度变化情况予以初步解释。

2、 工程概况

杨庄矿WⅢ517工作面走向长约800米，倾斜长约195米。工作面标高-340米～-456米，地面标高31.2米。wⅢ517工作面，南部为wⅢ513工作面（已采区），北部为wⅢ517风巷联巷，东部为EⅢ511工作面（已采区），西部为未采区。相对地面位于陈庄小学东500米（已搬迁），其余为农田、果园类。

2.1 工作面煤层

该工作面煤层赋存较稳定，煤层结构简单。煤层倾角6°左右，煤层局部受火成岩侵蚀，变质为焦。局部煤层有变薄现象，最薄处煤厚仅0.5米。工作面煤厚为0.5～3.2米，平均为2.8米；煤层倾角3～18°，平均为6°。可采指数0.93，变异系数γ28%。

2.2 地质构造

该工作面地质构造简单，总体为一单斜构造。4煤与5煤间夹QzR3hii6fVVITIlKStiAN/1s+0SybnJckdNSIiRfmNo=矸总体趋势，由西向东、由北向南逐渐增厚。煤层局部受火成岩侵入影响，有焦化现象。工作面风巷风49点前23米至风50点、风51点前11米至风52前12米煤层有变薄现象。工作面在掘进过程中共揭露7条断层，其中风巷风5点前25米处断层292°∠52°H：5m，机巷C54点前43米断层100°∠56-70°H：7m落差较大，对回采有较大影响，回采时应加强管理工作。具体见断层情况一览表（表2.2-1）.

断层情况一览表 表2.2-1

构 造

名 称

走向

（°）

倾向

（°）

倾角

（°）

性质

落差

（m）

对回采的影响程度

F1

238°

328°

52°

正

1.9

有一定程度影响

F6

202°

292°

52°

正

5.0

有较大程度影响

F5

199°

289°

70°

正

2.8

有较大程度影响

F2

10°

100°

56°～70°

正

7.0

有较大程度影响

F3

230°

320°

70°

正

1.6

有一定程度影响

F4

26°

116°

35°

正

1.0

有一定程度影响

F7

282°

12°

80°

正

3.5

有较大程度影响

3、坑道无线电波透视法基本原理

3.1 基本原理

坑道无线电波透视法，又称坑透法。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率ρ和介电常数ε）的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗，致使接收巷道中的电磁波信号十分微弱甚至接收不到透射信号，形成所谓的透射异常（又称阴影异常，见图3.1-1 a、b）。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释，这就是坑透法的基本原理。

（a） （b）

图3.1-1 电磁波透视法工作原理图

a—矿井巷道工作布置图 b—衰减曲线剖面图

WKT-E型坑透仪只测固定频率透射电磁波的磁场（或电场）振幅分量。在电磁波射线路径上介质电磁性质的变化和波导阻抗的变化，造成电磁场强度的变化，因此分析电磁场强度的变化就可以预测工作面内介质的物性变化。

在不考虑电磁散射的前提下，电磁波的传播路径可以用射线近似，此时煤层中传播的电磁波可近似用下式表示：

（1）

式中：──介质中某点的实测场强；──决定发射功率和周围介质的原始辐射场强；r ──发射机与接收机之间的直线距离；？──决定于工作频率、介质电阻率、介电常数等参数的介质吸收系数；θ──发射天线轴与观测点方向间的夹角。

显然，H值随r和β而变化，其中射线路径上β值的变化是使H值发生异常变化的关键因素，如下式所示

（2）

由（2）式可知，在一定的频率范围内，值是介质（煤或岩石）的介电常数、导磁率、电导率的函数。由于煤层与顶底板岩石有较大的电性差异，所以在电磁波射线路径上出现煤层与岩层的交替时（如遇断层或火成岩体）时，就发生β与H值的明显变化。又由于煤层相对于顶底板岩层是一种波导介质，当煤层厚度发生变化时，其波导阻抗就发生变化，则造成β值和H值的变化。

3.2 电磁层析成像法原理

70年代中期，美国已故的测井学家R.J.Lyle等人率先利用直射线理论，把医学CT引入地学领域，把透射层析应用于跨孔电磁波探测的资料处理，推动了全球范围内地下物探层析技术的应用和研究。

电磁波在介质中近似为直线传播必须满足以下三个条件：

首先射线的长度r（发射点与接收点之间的直线距离）必须大于λ/2π，这里λ是电磁波在介质中的波长。在目前的仪器和工作面几何条件下，经常使用的电磁波工作频率多为1.5MHz～0.128MHz。

其次，电磁波在介质中传播的折射率随距离的变化应足够小，也就是折射率近似为一常数。在实际中，当煤层和顶底板岩层较为均一时，顺层传播的电磁波基本满足这一条件。

最后一个条件是λ《π？，这里？是介质中的趋肤深度。趋肤深度是电磁波能量的有效穿透深度，为。煤是一种磁性极其微弱的物质，其相对导磁率近似等于1，很显然这个条件也能够满足。

电磁波层析成像分为绝对衰减层析成像和相对衰减层析成像两大类，两种算法的基本原理如下：

3.3 绝对衰减层析成像

在坑道透视中，由于综采工作面煤层的倾角都小于25°，发射天线与观测点方向近乎正交，即在θ=90°时，式（3）变为：

（3）

此式中、的单位为微伏，r的单位为米，β的单位为奈培/米。对（3）式两边取对数，经变换后可得：

βr=--lg r （4）

图3.3-1 层析成像像素剖分示意图

式中、的单位为分贝，r的单位为米，β的单位为分贝/米。

如图所示是一个工作面被网格化后的示意图。把网格化后每个均匀的小块称为一个像素，在此区域内有一条射线穿过了衰减系数分别为的诸像素，并在这些像素上的截距分别为 。这样在第i条射线路径上则有：

（5）

把式（5）代入式（4）中可得到第i条射线的方程：

（6）

这里

（7）

式中 ── 第i次观测的实测场强值。

── 第i条射线长度，即 。

若进行多重观测，即用多个波源发射，对每个发射点进行多点接收测量，即可得到如下矩阵方程：

（ 8 ）

也就是

= （9）

式中：

── m ？ n阶系数矩阵，为射线穿过诸像素的截距。其中D的元素是第i次观测中射线被第j个像素的截距。i=1，2…m，m是射线总条数 （观测次数）。j=1，2… n，n是工作面网格化后像素的个数。

── 是n ？ 1阶未知数矩阵，代表诸像素的绝对衰减值。

── m ？ 1阶常数矩阵，是各观测方式下与实测场强有关的常数。

由于方程（1-9）的建立是基于各像素绝对衰减作用的叠加，因此求得的各像素的绝对衰减系数也就体现了介质的物性。把每个像素的值用图（色块图、灰度图、等值线图或立体图）表示出来，也就是层析图像。此图像直观表示了工作面内异常分布情况，对它可做出相应的地球物理解释。

3.4 相对衰减层析成像

相对衰减层析成像的控制方程：

（10）

（11）

（12）

这里β是介质背景衰减系数，D是m ？ n阶距离系数矩阵，ΔX是n ？ 1阶未知数矩阵，S是m ？ 1阶常数矩阵。

ΔX的物理意义是测区内某处的绝对衰减系数与该处背景衰减系数之差。因此ΔX可称为“相对衰减”，类似地可把（10）式称为“相对衰减方程”，解此方程得到的是电磁波在地下介质中相对衰减的二维分布。

相对衰减层析成像的控制方程与波源的初始辐射强度无关，仅与背景场有关。由于在复杂地电条件下也能确定背景场，所以大大扩展了电磁波层析成像的应用范围。相对衰减层析成像控制方程的建立不受波源初始辐射强度变化的影响，并且能够抑制部分数据噪声，同时重建过程自动消除了不均匀的背景衰减，所以重建图像的可靠性和分辨率较高，背景清晰，异常突出。

当然，相对衰减层析成像与传统的绝对衰减层析成像方法并不互相排斥。绝对衰减层析成像方法不仅能够了解正常场的衰减分布规律，而且与相对衰减层析成像法配合使用可以减少坑透资料地质解释的多解性。

3.5 资料处理与解释流程

井下无线电波透视法探测数据处理流程为：原始数据整理——数据转换与检查——数据处理与解释——单支曲线综合图——坑透层析成像成果图——仪器实测与实际揭露对比图

1、在无线电波透视法资料的解释方法中有单支曲线法和层析成像法，在淮北矿区主要采用单支曲线和层析成像相互结合的方法进行处理解释。

2、单支曲线分析。对应每个发射点都有一条表征接收电磁波信号强度变化的衰减曲线，实测衰减曲线与理论衰减曲线进行对比分析，可以定性地分析确定电磁波传播过程中地质因素和矿井电磁干扰所引起的电磁场变化特征。

（1）工作面坑透层析成像反演解释。

（2）结合巷道实际揭露情况综合解释，得出地质结论。

4、测点布置及施工

4.1 使用仪器及工作频率

地下电磁波衰减的透射异常区（“阴影”区）并非单由一次场的吸收所形成的，而且还受很多其它因素的影响。如感应二次场引起的干涉、煤层（或岩层）的不均匀性和各向异性、直达波、巷道的反射及漫反射波，以及煤层顶底板的围岩波等。所以观测场强值可能是几种波的综合值。结果使“阴影”变得模糊，以致于不能准确判定异常体位置，因此，选择最佳工作频率是很关键的。频率过高，即使是高阻的岩石也会产生明显的吸收作用，结果很可能不能突出要寻找的地质异常体的“阴影”区。而地质异常体的围岩却形成了“阴影”区；如果频率过低，则由于一次绕射作用，使得要寻找的地质异常体可能被掩盖。为了得到明显的“阴影”区，必须选择最佳的工作频率。 本次探测选用频率为0.128MHZ

4.2 探测方法

本次探测方法采用定点发射法。定点发射法是发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在相邻巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值。又称定点交汇法。一般发射点距50米，接收点距10米。每一发射点，接收机可相应观测8～15个点。观测基本步骤：

1、在观测前，预先安排好观测约定时间顺序，列出时间表格，发射和接收各持一份；

2、观测时，严格按时间表执行，发射机天线应平行巷道，悬持成多边形，应保持发射信号稳定；

3、接收天线环面对准发射机的方向，即观测最大值方向。

4.3 测点布设

本次测量点间距为10米，发射点间距为50米，每一个发射点相应测量8～15个接收点，接收范围与发射点所形成的夹角一般小于50度。测点布设：机巷以C5测点退后20米为起始点，以10米间距布设81个测点，共800米，测点编号为（0、1……79、80）；风巷以风2测点为起始点，以10米间距布设85个测点，共840米，测点编号为（20、21……103、104）。机巷布置17个发射点，风巷布置16个发射点。本次探测共布置33个发射点，接收数据410个。现场发射及接收射线如图4.3-1所示。

图4.3-1 WⅢ517工作面无线电波坑透工程布置

4.4 井下干扰及其排除措施

巷道中的人工导体，对电磁波的传播起干扰作用，但不同的导体对电磁波传播的影响不同。

1、金属支架，对电磁波有少量的屏蔽吸收作用。

2、接地的铁轨、电溜子，对电磁波有一定的导引作用。存在二次场，实际观测中发现在铁轨附近，场的梯度较大，二次场的影响范围在0.8m以下，故接收天线的环距铁轨、电溜子高于1m，二次场的影响就可忽略不计。

3、悬挂在巷道壁上铁管的二次场的强弱，与距发射点的远近有关，在铁轨不连通的情况下，二次场很弱，接收天线环离开1m，影响可忽略不计，同巷发射接收，二次场的干扰，仅次于电缆干扰强度。

4、电缆、金属锚网及其它导体，对电磁波有很好的导引作用。天线辐射的电磁波感应到导线上沿着导线传播，成为电磁波的二次辐射源。接收巷道有导线时，天线接收的场，有从煤层来的直达波和导线上的二次辐射场，当二次辐射场大于直达波时，它就掩盖了直达波，使透视工作无法进行。

本次探测的WⅢ517工作面风巷和机巷均铺设电缆、金属管路，工作面为封闭的金属锚网支护。测量时对电缆采取了停电处理，干扰现象不明显。总体上测量数据较稳定，效果较好。

5、探测成果分析

5.1 探测数据分析

WⅢ517工作面探测频率0.128MHz，通过对探测数据的分析，本次处理所采用的参数为：

H0 =133dB β=-0.3dB/m

式中H0——初始场强 （dB） β——吸收系数（dB/m）；

依此参数可计算出每个曲线的理论场强等参数。

5.2 质量评述

为了采集到高质量的第一手资料，现场采取如下技术措施：

1、本次坑透工作在采面内采用定点发射法，每10米一个接收点，即一个物理测点，每50米布设一个发射点。

2、对应每个发射点，在另一巷的扇形对称区间接收8～15个点，以确保面内各物理测点有两次以上的覆盖。

3、接收天线离开电缆0.5m以上。

4、为确保原始资料质量准确可靠，严格按照计划表施工，作好记录并标注出实际发射时间和实际接收时间。

5、无线电波透视实测场强值如附图1所示，总体上该煤层实测场强值变化范围很大。由于对每个点均测量了总场强值和背景场强值，所得的实测场强值真实反映了发射电磁波的穿透能力，最高场强值在30左右，最小场强值10左右，反映总体透视性较强。本次采集数据信噪比高，采集数据可靠。

发射点和接收点的设计及探测施工，符合矿井地质井下坑透的有关规定和要求。数据接收完整。探测时井下电缆及其他金属导线、风管、水管、工字钢等因素的影响，对数据接收的稳定性有一定的影响。但是探测数据总体可以满足处理解释需要。

6、地质成果

采集数据采用无线电波透视CT软件系统进行反演，反演结果以单支综合曲线图、坑透层析成像成果图和仪器实测与实际揭露对比图表示。本次坑透区域内巷道实揭断层7条，本次坑透对其中的6条断层稍微进行了修改，解释了2条性质不明的隐伏断层，圈定出1个构造异常区。具体位置见杨庄煤矿WⅢ517工作面坑透成果图，图中蓝色为巷道揭露断层，红色为本次解释断层，品红色为坑透解释异常区，黄色为坑透层析成像（反演）结果。

6.1 断层解释

本次坑透面内巷道实揭大小断层7条，对其中6条断层的延展长度稍微做了修改。（见断层情况一览表6.1-1）。

6.2 异常区

根据实测场强值变化特征和岩石吸收系数CT成像图综合分析，得出探测区地质解释如坑透成果图所示，整个工作面内构造较为复杂。其中重要异常范围场强值较低，煤岩电磁波吸收系数较大，可能与存在煤层变薄、小断层或裂隙发育有关。该工作面坑透共解释1个异常区（品红线圈定范围）见表6.2-1：

坑透主要异常区一览表 表6.2-1

序 号

具体位置

（测点）

说 明

异常区一

面内

该异常可能是煤层厚度或夹矸变化及其它地质体引起。

6.3 无线电波透视CT吸收系数成像

无线电波透视CT成像图表达参数为煤岩层电磁波吸收系数值图，数据值大

小如图6.3-1上色标所示：暖（红）色调为高电磁波吸收系数值。本次层析成像成果图，更为形象直观地反映地质异常变化情况。高电磁波吸收系数值区，反映可能存在煤层厚度变化、小断层或裂隙影响。由图可见暖色调区与实测场强低值区基本一致， 不再叙述。

图6.3-1 WⅢ517工作面坑透层析成像成果图

断层情况一览表 表6.1-1

巷道揭露断层

无线电波透视解释断层

备注

序号

名称

性质

走向

（度）

倾向

（度）

倾角

（度）

落差

（m）

延伸长度

（m）

名称

性质

走向

（度）

倾向

（度）

倾角

（度）

落差

（m）

延伸长度

（m）

1

F1

正

238°

328°

52°

1.9

20

F1

正

238°

328°

52°

0～2

75

修改

2

F6

正

202°

292°

52°

5.0

140

F6

正

202°

292°

52°

3.0～5.0

210

修改

3

F5

正

289°

70°

2.8

45

F5

正

289°

70°

0～3

95

修改

4

F2

正

10°

100°

56°～70°

7.0

90

F2

正

10°

100°

56°～70°

0～7

170

修改

5

F3

正

230°

320°

70°

1.6

30

F3

正

230°

320°

70°

0～2

90

修改

6

F4

正

116°

35°

1.0

15

F4

正

116°

35°

0～1.5

110

修改

7

F7

正

12°

80°

3.5

8

KF1

0～1.5

115

性质不明的

隐伏断层

9

KF2

0～2

215

性质不明的

隐伏断层

10

11

7、结论

1、风47～风52点巷道实揭煤层蚀变为天然焦，但是本次坑透资料反映不明显，向面内延伸范围无法控制。

2、该工作面中小断层发育，向工作面内延展较长，在面内解释2条性质不明断层。

3、异常区可能是煤层厚度或夹矸变化及其它地质体引起，具体待回采时验证。

4、该工作面坑透时，矿方未能及时停电，对数据采集有一定的影响，解释的地质现象供矿方参考。

5、对解释的断层、煤层变化、构造变化、隐伏异常区等地质现象，矿方在工作面回采时应及时验证，分析总结并及时回馈至施工单位，以便做好后期服务工作。

参考文献：

1. 岳洪波，李东会.矿（2）矿井小构造与瓦斯的坑道无线电波透视法应用分析【J】.矿业快报，2007，（4）.

2. 宫仕昌，许效庭. 电磁波坑透技术在朔里矿生产中的应用效果【J】. 矿井地质，1996，（4）.

3. 刘全本.无线电波坑道透视资料解释工作中判断断层及落差的两种方法【J】.河北煤炭，1983，（4）.