无线电波透视法在煤矿工作面构造探测中的应用

卫 景 华

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西 太原 030006)



无线电波透视法在煤矿工作面构造探测中的应用

卫 景 华

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西 太原 030006)

结合工程实例，介绍了无线电波透视法的基本原理、工作方法，选取了合适的仪器装置以及频率，利用场强对比法及CT成像法对数据进行了处理，研究表明，应用无线电波透视法对煤矿井下工作面进行构造探测是一种较为理想的方法。

无线电波透视法，构造，水文地质，煤炭，频率

0 引言

当今，煤炭作为全球性的支柱能源，安全生产则成为煤矿开采的重要内容，对工作面内构造的探查是其中一项必要内容，那么对相应的勘探技术也提出了更高的要求[1-3]。尤其是，一直以来构造导水造成的井下安全事故屡有发生，因此，探查矿井工作面内构造的手段得到了快速的发展，无线电波透视法(又称“坑透”)便应运而生[4-7]。

1 基本原理及工作流程

1.1 无线电波透视法

在井下半空间中，电磁波穿过地层进行传播时，如果煤层中出现断层、陷落柱等构造时，由于电磁波传播介质的不连续性，电磁波被部分吸收或被完全屏蔽，进而发生反射或折射现象，表现为接收机在对巷接收到微弱信号或无法接收到透射信号，产生能量的耗损，即形成通常的透视异常[8]。

1.2 工作流程

井下无线电波透视法通常在工作面的两巷进行，比如将发射点布置在回风巷，沿煤层向对巷发射固定频率的电磁波，在运输巷布置的接收点位接收透视电磁波信号，一般工作前有条件尽量将两巷内金属器具、设备清理，以降低干扰。

常见的定点法是指发射点位相对固定于某巷的固定点位处，接收机在对巷逐点观测，完成一站后重复进行下一次观测。通常发射点点距为50 m，接收点点距为10 m。每站一次发射，对巷接收机可完成11个测点观测。

基本工作流程：

1)现场探测前，应首先做好设计，主要设置好发射、接收的时间序列，以表格形式列出，发射和接收人员均严格执行；

2)现场观测时，发射线框平面应垂直于所在巷道，保持正方形，创造稳定发射场；

3)接收线框平面同样垂直于所在巷道，始终保持观测最大值。

2 仪器装置和频率选取

2.1 仪器装置简介

本次井下现场数据采集工作应用仪器为YDT88型矿用无线电波坑道透视仪，该仪器由福州华虹公司联合部分高校院所，采用了先进的数字通信模块，可进行高速采集、同时具有嵌入式系统等开发形成的最新代坑透仪。该产品具有高效灵活、智能轻便、穿透距大、抗干扰能力强、超强续航等优势。该产品主要有“单发双收”“单发单收”等数据采集模式，很大程度上缩短工作时间并提高了勘探精度。

2.2 频率设定

透视异常的形成，除了发射场的信号吸收所致，还受到很多其他干扰因素。如感应场的干扰、煤层(或其他岩层)的起伏变化形成的各向异性、直达波、其他界面的反射场以及漫反射波，或是煤层顶底板岩层反射折射波等。因此接收到的信号通常是多种波的叠加值。最终弱化了异常阴影，很大程度影响了对异常位置的判断，所以，确定最佳工作频率尤为重要[9]。频率选取太高，即使对高阻岩层也并不能完全穿透，极可能真正异常区无法形成异常阴影，而围岩却表现为异常；那么频率选取太低，则一次绕射作用使得要真正地质异常很大程度可能被覆盖。因而，为了获得较高分辨率的异常区，应当选取合理的工作频率进行现场观测。通常根据产品特性及现场经验选500 kHz作为常用工作频率。

3 数据处理与资料解释

3.1 场强对比法

一般以绘图的方式来描述沿巷道在工作面透射区域内场强的变化规律[10]。

综合曲线图：将每一发射点对应接收点的实测场强值H、理论场强值H0值以及衰减系数值η以相应的比例尺生成曲线剖面图。横坐标为两巷接收点实际位置。

交会平面图：在工作面的采掘工程平面图上，标示各发射点和对应的接收点位置。根据综合曲线确定异常边界点，将该点与对应的发射点连线，然后由不同发射点及相应的接收点确定出边界射线，各射线所形成的范围便是异常对应平面位置[11]，如图1所示。

3.2 CT成像法

工作面内无线电磁波透视法其发射模型为偶极子，介质中某一点的磁场可表示为：

其中,H0为取决于仪器发射功率和天线周边介质的场强初始值；β为电磁波传播介质对波能量的吸收系数；r为接收点和发射点的直线距离；sinθ为方向性因子，通常可近似取值1。

等号两边分别取对数：

在不同发射点上对场强分别进行叠加观测，即形成矩阵方程：

[X][D]=[Y]。

采用SIRT计算公式(SimultaneousIterativeReconstructionTechniques，同时迭代重构技术)，通过计算矩阵方程可以反演各单元吸收系数值，从而实现工作面内成像区吸收系统成像。通过反演计算结果绘制探测区吸收系数等值线色谱图[12](见图2)。

4 工程实例

本次无线电波透视法探测某矿的长度450m、宽度约80m工作面，在回风顺槽、运输顺槽分别进行发射和接收，发射点间距为25m、接收点间距5m，在回风顺槽则共布设18个发射点，每个发射点在运输顺槽相应接收11个场强值；单巷完成数据采集后，在运输顺槽以同样方式布设18个发射点，每个发射点相应在主运巷接收11个场强值。现场布置图如图3所示。

通过现场实测，形成场强曲线图如图4所示。

由图4可以看出两巷的实测场强值基本在55dB～64dB变化，10号接收点(对应50m)前场强值波动较大，推测受联络巷及皮带机头影响；45号～50号接收点(对应225m～250m)处场强值较低，推测可能为裂隙发育异常；80号～88号接收点(对应400m～440m)处场强值较低，推测为断层及影响带异常。

对实测场强值进行处理，分别形成实测场强图和反演吸收系数图，如图5,图6所示。

由图5，图6可以看出，在220m～250m段异常明显，推断为该位置裂隙发育；而330m～350m段异常仅在场强分布图中有表现，异常较弱，推断为该位置裂隙发育；400m～440m段附近异常位置两种方法基本重合，推测该位置为断层及影响带异常。

5 结语

通过本次采用无线电波透视法对工作面进行探测，推断出工作面内构造发育位置，为后续安全生产提供指导，且与后期揭露推断异常位置基本吻合，进一步验证了该方法是一种行之有效且较为理想的勘探方法。

[1] 储绍良.矿井物探应用[M].北京：煤炭工业出版社,1995:57-59.

[2] 董一飞.正则化方法在无线电波层析中的应用[J].CT理论与应用研究,2016,25(3):287-298.

[3] 陈兆平.无线电波透视法在矿井地质测探中的应用[J].煤炭工程师,1996(1):41-43.

[4] 刘静武,卢小龙.无线电波透视法和地震波法在工作面构造探测中的应用——以宜兴煤矿为例[J].科技论坛,2013(26):93-94.

[5] 张 强.无线电波透视法在王庄煤矿隐伏地质探测中的应用[J].煤矿现代化,2015(5):12-14.

[6] 胡勤明.无线电波透视法在薄煤层综采工作面中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2015(12):164-165.

[7] 阳泉矿务局地质测量处.无线电波透视法在矿井地质工作中的应用[J].煤田地质与勘探,1977(5):45-52.

[8] 梁绍宾.无线电波透视技术在凤凰山煤矿中的应用[J].能源与节能,2015(5):144-145.

[9] 邱增强,刘志新.无线电波透视法在探测隐伏导含水构造中的应用[J].工程地球物理学报,2005,2(3):185-190.

[10] 刘 勇.无线电波透视法在淮南矿区工作面物探中的应用[J].矿业安全与环保,2012,39(3):66-68.

[11] 雷凯丽.基于冲激脉冲的无线电波透视法仿真研究[J].工矿自动化,2013,39(4):59-64.

[12] 王振华.无线电波透视法在我国煤矿地质中应用现状与展望[J].煤炭科学技术,1990(7):6-8.

Application of radio wave penetration method for structure exploration in mineral areas

Wei Jinghua

(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrogy, Taiyuan 030006, China)

Combining with the engineering example, this paper introduced the basic principle, work method of radio wave penetration method, selected appropriate instrumentation and frequency, using the intensity contrast method and CT imaging method for data process, the research showed that the application of radio wave penetration method for structure exploration of coal working surface was a more ideal method.

radio wave penetration method, structure, hydrology geology, coal, frequency

1009-6825(2017)16-0089-03

2017-03-22

卫景华(1984- )，男，助理工程师

P631

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