电磁波在煤层中的传播规律与应用

2016-11-15天地常州自动化股份有限公司苏园鹏

电子世界 2016年19期

天地（常州）自动化股份有限公司苏园鹏

电磁波在煤层中的传播规律与应用

天地（常州）自动化股份有限公司苏园鹏

电磁波在空气介质和均匀各向同性介质中传播规律与煤层工作面中传播规律差别很大。电磁波在煤层工作面传播受到各种不同因素的影响，其中煤岩混合层介质对电磁波的吸收较强。煤层工作面电磁波穿透探查应用表明：电磁波在煤层工作面中的透视异常可以对煤层中的地质构造进行定性和半定量解释，为矿井高产高效安全生产提供技术参考。

电磁波；煤层工作面；传播规律

0 引言

煤矿中煤层工作面开采过程中，通常需要对工作面内煤层赋存条件进行探查，预先对影响安全生产的大的地质构造进行判断与预报［1］。目前，利用一定频率的电磁波穿透煤层工作面，根据电磁波所携带的信息，主要包括能量、频率等特征变化，来分析其内部结构、构造的变化。这一方法为矿井工作面电磁波透视应用技术，它主要包括基本理论研究、仪器设备使用、数据采集观测系统与工作方法、数据处理与成像理论、异常解释和应用等内容，其中对于介质中电磁波的传播特征规律分析至关重要。因为矿井为一种特殊环境，电磁波在地下介质中远比空气介质中传播复杂得多，论文利用现有的仪器设备对其传播特征进行了分析研究，为工程应用提供技术基础。

1 电磁波在煤层介质中的传播

磁场在煤层中分布较为复杂。首先，任何形态的电磁波从一种媒质到另一种媒质的界面上时，均要产生反射和折射，反射和折射情况视两种媒质的特性而定。无线电波透视中电磁波由空气介质传播到煤岩介质，再由煤岩介质传播到空气介质中被接收设备接收。

其次电磁波在均匀各向同性介质中传播没有遇到两种媒质界面，不会产生反射和折射。由于煤层顶板和底板与煤层是不同的媒质，电磁波在传播过程中遇到煤层顶底板界面时，电磁波同样会产生反射和折射。

最后电磁波在煤层中传播，其强度、相位大小直接与煤、岩电阻率、介电常数和磁导率等电磁参数有关［2］。煤的变质程度对其电阻率有决定性的影响。在成煤过程中，随着煤化作用的进行，煤的变质程度增高。煤的含炭量逐渐增多，挥发份减少，煤的电阻率也相应的减小。另外，煤与其它岩层一样其电阻率与湿度的关系密切，煤层及其顶底板岩层中部分含有一定的水分。水溶解了煤和顶底板岩石的矿物质，呈一种带极性分子的溶液存在于煤层及岩层空隙中，为离子导电物质，因此对电阻率影响很大。水分越高，湿度越大，则电阻率变小，电磁能量的衰减增大。

图1对电磁波在地面空气介质、井下空气介质以及煤层中传播随距离的衰减特征进行比较，其中图1（a）为965KHz和365KHz两种频率电磁波在空气中实测的衰减曲线，图1（b）为365KHz频率电磁波在纯煤层介质和煤岩混合层中实测电磁波穿透时衰减曲线。可以看出井下巷道中电磁波传播受金属等干扰衰减特征有差别，而煤岩混合层对电磁波的吸收较厉害，其原因是煤层中存在结构构造变化时，岩层对电磁波的吸收较强，其衰减更快，特征更为明显，这为煤层构造工程测试应用提供基础。

图1 电磁波传播规律曲线图

图2 实测场强分布及对应构造分析

2 煤层电磁波透视应用

电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，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，也造成能量的损耗［3］。因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。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透视异常，从而进行地质推断和解释，这就是煤层电波透视的应用原理［4-6］。

图2为应用f=365KHz的电磁波对某煤层工作面穿透的实测场强分布结果图。探测中根据工作面现场实际情况，在机巷共布置14个发射点，对每个发射点在风巷接收21个实测场强值；在风巷布置14个发射点，对每个发射点在机巷接收21个实测场强值。其中发射点间距为70m，接收点间距10m。根据实测场值变化特征分析，可以获得整个煤层中存在几个穿透异常区，即1号异常区位于20～250m，为断层影响区；2号异常区位于400～480m，为隐伏断层影响区；3号异常区位于920～1100m，为断层影响区。工作面已经回采完，1号和2号异常区已经回采验证与探测异常区位置吻合。