无线电坑透技术的应用局限性分析

何进亚 李光明

（1.长治高原综合勘探有限公司，山西 长治046000；2.山东公信安全科技有限公司，山东 枣庄 277100）

无线电波坑道透视技术是利用探测目标与周围介质之间的电性差异来研究确定目标体位置、形态、大小及物性参数的一种物探方法[1]。该方法原理简单，仪器轻便易操作，探测距离远，可探测采煤工作面内隐伏地质构造以及煤层厚度变化等，在煤矿地质灾害防治领域应用广泛。

1 无线电波坑道透视技术原理

电磁波在地下煤岩层中传播时，各种岩、矿石电性（电阻率，介电常数等）不同，低阻岩、矿石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或陷落柱、侵入体等地质异常时，一方面电磁波在其界面上产生反射、折射和绕射，造成能量的消耗；另一方面，当断层落差较大时，电磁波传播路径将穿过一部分岩石，而岩石的电阻率比煤层的电阻率低得多，造成能量损耗；因此，如果将透视仪的发射机和接收机分别放在采煤工作面的两条顺槽中，让发射机发出的电磁波穿越工作面达到接收机，电磁波在穿越煤层的途径中，当存在与煤层电性不同的地质体（如陷落柱、断层、冲刷区等其他地质构造）时，电磁波能量就会被其部分吸收或完全屏蔽，造成信号明显减弱，甚至接收不到，在计算机重建的图像上形成透视异常区。变换发射机与接收机的位置，重复测得同一异常区的阴影区，这些“阴影区”交汇的地方，就是异常的具体位置，然后根据异常的强弱、形态等特征来确定其地质构造[2]。

2 解释方法

2.1 综合曲线法

将各接收点实测场强H值与相应的理论计算场强H0进行对比，取得的数据称为衰减系数β，即

以接收点为横坐标，H、H0和β为纵坐标，将同一发射点对应接收点的实测场强H、理论场强H0和衰减系数β按比例绘制成图，就得到3条曲线，称为综合曲线图[3]。

理论场强曲线在综合曲线中是一条标准线，而理论场强的正确性又取决于吸收系数和理论场强值，它们取得越接近实际，就越能真实地反映异常。根据参数值在曲线上显现的异常，可确定出异常体的边界点（或中心点），将边界点（或中心点）与对应的发射点相连，此线就表示导电体的几何阴影范围。根据多条连线交汇，就可圈定出异常体的轮廓，得到交绘平面图（见图1）。

图1 无线电波透视曲线交会法解释示意图Fig.1 The Schematic diagram to explain Intersection method of curve of radio wave penetration

2.2 层析成像法

目前，无线电波层析成像技术主要分为绝对衰减层析成像、相对衰减层析成像、平均法、中值法和评分法。这些方法都是基于场强的衰减，即介质对电磁波衰减系数的差异进行反演成像。绝对衰减层析成像和相对衰减层析成像原理相同，都是将成像区域网格化，计算各网格点的场强衰减值，然后利用ART、SIRT算法进行反演成像，便可得到吸收系数等值线图或色谱图。

工作面电磁波透视法采用偶极子天线发射，在介质中某点磁场强度表达式为

式中：H——介质中某点的实测场强；

H0——决定发射功率和周围介质的初始辐射场强；

sinθ——方向性因子，一般可认为等于1。

把坑透工作面划分成有不同吸收系数的有限个小单元，每一个小单元内可视为介质均匀。假设电磁波的第i个传播路径为ri，则它可以表示为有限个小单元的距离之和。

对没有射线穿过的小单元，可视dij=0，于是公式变（3）成：

两端取对数可得公式（5）：

若在多个发射点上对场强分别进行多重观测，便可变形为矩阵方程：

利用SIRT算法，计算矩阵方程可以反演各像元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系统反演成像。利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。

3 探测实例

3.1 工作面概况

2107回采工作面所采煤层为2号煤层，平均厚度为2.2m。工作面走向长度约为900米并向北偏东方向延伸。该回采工作面胶带顺槽小幅度倾斜，切眼以里500米内煤层破碎，265米处揭露一陷落柱，750米处揭露一落差为2米的小断层，回风顺槽切眼以里140米处为一150°倾斜面，长230米；距离回风顺槽切眼595、618米处分别揭露一陷落柱。

3.2 探测方法及数据采集

本次采用定点法进行探测。定点法是发射机相对固定于某顺槽事先确定好的发射点位置上，接收机在相邻顺槽一定范围内逐点沿顺槽观测场强值（如图2）。发射点距25米，接收点距5米。每发射一个点，接收机可相应观测11个点，本次探测完成362个测点，70个发射点。

3.3 数据处理

（1）数据传输编辑：运用坑透资料处理软件，将探测数据传输到计算机，根据探测时所用频率对原始数据进行编辑。

图2 定点法发射与接收示意图Fig.2 The sketch plot of transmitter and receiver fixed-point method

（2）工作面布置：根据实际情况进行巷道布置，工作面的胶带巷和回风巷布置成双线巷道，两端布置成单线巷道，再在各个巷道上布置相应的测点，最后进行网格化以备层析成像。

（3）计算背景场强H0、正常场衰减系数β：进入CT系统，计算H0、β，然后根据实测场强与理论场强曲线分布情况对H0、β进行修改调整，除个别干扰点外，使得实测场强曲线位于理论场强曲线下方并尽可能的靠近理论场强曲线。2107工作面探测的背景场强H0为125～155dB/m，β 为-0.25～-0.4。

（4）综合曲线及探测成果图：由选定H0、β得出综合曲线图，然后进行层析成像处理，得出探测成果图。

3.4 探测成果

根据整体场强衰减情况，计算处理中把场强衰减异常取为-15db，初步圈定八处探测异常区（如图 3），分别编号为 1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。

图3 探测成果图Fig.3 Results figure of detection

一号异常区：距离2107工作面胶带顺槽切眼0～98米，回风顺槽切眼0～90米以内范围。能量吸收强，推测该异常为煤层较为破碎或节理发育的响应，也可能是人工导体的干扰引起的假异常区。

二号异常区：位于2107胶带顺槽25～35发射点，回风顺槽525～535发射点，衰减场强到达-40db，异常程度较大，推测该范围内煤层破碎严重或煤层节理发育，影响范围大。

三号异常区：距离2107胶带顺槽203～298米，回风顺槽211～284以内范围，场强衰减在-20db～-50db，能量吸收强，影响范围大，推测为该范围大面积异常是煤层破碎，节理发育及该陷落柱向里延伸的表现，由于煤层破碎影响无法判断陷落柱的大小及影响范围。

四号异常区：距离2107胶带顺槽318～444米，回风顺槽307～431米以内范围，该异常区能量吸收极强，影响范围大，场强衰减异常呈条带状分布，根据场强的衰减强度和综合曲线的变化情况推测该区域存在一隐伏断层，但由于该区域煤层破碎严重，无法判断出隐伏断层的走向及延伸情况。

五号异常区：距离2107胶带顺槽603～646米，回风顺槽598米处，根据巷道揭露情况，初步分析认为陷落柱或煤层破碎带影响的异常区。

六号异常区：距离2107胶带顺槽650～670米，回风顺槽617～654米以内范围，与五号异常区相距极近，场强衰减最大达到-40db，根据巷道揭露情况，推测为陷落柱或煤层破碎带影响的异常区。

七号异常区：距离2107胶带顺槽620米，回风顺槽708米处，呈条带状，范围较小，场强衰减最大达到-40db，推测为断层或断层破碎带引起的异常区域。

八号异常区：距离2107胶带顺槽743～846米，回风顺槽735～807米以内范围，范围较大，根据巷道揭露情况，此范围的胶带顺槽揭露一落差为2米的小断层，由于该断层的落差大于1/2煤厚，影响范围较大，难以推断断层尖灭位置。

4 无线电波坑道透视技术的局限性

（1）叠加效应：在同一个异常区中存在两个或两个以上构造时，构造之间存在相互屏蔽作用，规模较大的断层往往掩盖规模较小的断层或断层和陷落柱之间相互掩盖，无法一一定量确定。因此，地质解析只能定性地圈定为一个整体异常区域。

（2）异常区边界确定：异常区是相对于正常区而言的，这是任何物探方法地质解析的前提。坑透进行异常解析也是基于这一原理工作。延伸较远、落差渐变的断层，场强曲线在穿越构造时没有明显的拐点，当落差＜1/2煤厚时，信号反映不明显，异常边界确定比较困难，此时断层延伸位置的预测范比实际范围小；陷落柱的边界一般为不对称的椭圆形，而用定点交会法圈定的边界为多边形，圈定的陷落柱边界与实际情况会有一定出入；如果掘进过程中遇到规模较大近工作面走向的的断层，会限制发射和接收的正常控制范围，而且巷道在掘进穿过断层时会揭露一定距离的岩巷，岩巷地段电磁场信号较弱，有时会被完全吸收成 “阴影区”，此时圈定的异常区范围一般情况下比实际的要大。

（3）定性解析：运用坑透技术探测煤层工作面内地质构造分布情况，是依据电磁波穿越工作面内部后的衰减趋势。电磁波穿越途中遇到断层、陷落柱或煤层变薄带时均可形成“阴影区”，有时断层和陷落柱的特征比较明显，可以准确分辨其构造性质，有时异常区特征不太明显，如隐伏断层近工作面走向延伸，这时只能结合矿区及工作面的已知地质资料进行地质推断，不能准确定性分析异常的构造性质（断层、陷落柱还是煤层变薄带）。

（4）探测精度：无线电波坑道透视技术只能探测出一定规模的地质构造。一般情况下坑透探测技术要求为：断层落差大于1/2正常煤厚；陷落柱直径大于10米；煤层变薄带煤厚小于1/2正常煤厚。所以，在实际探测工作中一些小的断层，如落差小于等于1/3煤厚时，就没有明显反映，一般情况不做地质解析，因为可靠性相对较低。

（5）数据处理：巷道布置过程中，严格要求接收点间距为10米，要求0号点从切眼位置开始，这些要求不能真实反映现场布置；SIRT层析方法要求足够角度的观测范围和密度，但受矿井观测方式及信号信噪比的限制，其电磁波“发-收”角度有限，且密度较小，不能满足SIRT方法的观测要求，导致层析反演结果的准确性和分辨率降低。

5 结论与展望

无线电坑透技术的发明及应用给煤矿的安全生产来了许多方便之处，节省了大量的人力物力，但是随着煤矿开采程度的加深及地质构造的复杂程度加深，他的应用局限性也慢慢显示出来了，例如叠加效应、异常范围的确定、定性解释探测精度等这些问题的出现使的应用效果没有充分显示出来，因此解决这些缺陷的无线电坑透技术将会在煤矿地质构造的探测应用更加广泛。

（1）由于人工导体（电缆、水管、铁轨等）对坑透探测的准确率影响大，因此，尽量在工作面形成后，电缆及电气设备安装之前进行坑透探测，或者尽可能的排除人工导体的干扰，确保数据的准确性，避免假异常的出现。

（2）2107工作面探测结果与已揭露断层、陷落柱对应良好，但由于其破碎较为严重，无法界定断层及陷落柱边界。

（3）无线电波坑道透视技术存在一定的局限性，对于煤层破碎带、变薄区或煤层的起伏与断层无法正确的定性分析，无法区分同一“阴影区”的多个地质构造；但作为煤矿工作面内地质构造探测最常用的方法，无线电波坑道透视技术仍是可行而有效的参考，为煤炭资源的安全开采，提供了必要的地质资料。

（4）希望能对数据处理软件进行改进，对于背景场强及正常场衰减系数的确定准确化，使得同一个“阴影区”的多个构造在层析成像过程中能多次叠加显示，在最终成果图上有所区分。

［1］郭芳，李培根，齐顺.基于测线分类的无线坑透初始场强求取探讨[J].煤炭科学技术，2013，41(12)：97-99,104.

［2］苏园鹏.淮南矿区无线电波坑透曲线特征与地质异常相关性研究[D].安徽：安徽理工大学，2013，6.

［3］肖玉林.煤矿综采工作面无线电波透视技术研究[D].安徽：安徽理工大学，2010，6.