基于电磁波层析成像技术的隐伏构造区边界判定

屈小兵，鲍俊睿

（1.山西潞安矿业集团东盛煤业有限公司，山西 长治 046000；2.山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿，山西 长治 046000）

在矿井实际生产过程中，由于回采工作面受地质构造及采动变化等各种因素制约，时常因前方隐伏构造探测不明，导致水害、瓦斯、顶板等各种灾害威胁加重，降低回采效率，危及人身安全[1]。然而，将高频电磁波传播特性为基础的层析成像技术应用于矿井预测预报工作，对于陷落柱、火成岩入侵区、断层延伸破碎带等多种隐伏地质构造的精密探测有着重要的应用价值[2-4]。

近年来，大量学者结合矿井实际问题以及各种干扰因素，对电磁波透视技术展开了大量研究，主要集中在以下几个方面：电磁波CT 成像技术以及抗干扰的相对层析成像技术，此技术清楚地反应了断层的组合及交叉切割的相对关系[5-6]；频域内质心频移技术，此技术能够重建并恢复具有衰减特性的空间分布，但要求电磁波信号的频带应足够宽，以便可以应用于各种频率，这种技术不会受到任何因素的干扰，并且重建之后的图像比起场强法更为精准可靠[7]；射机功率、发射频率稳定性以及接收机灵敏度、信噪比等各项性能的优化改善，使电磁波信号更加稳定，地层透视效果更加精准，满足了不同介电常数、不同电阻率、不同规模、不同类型的多层地质构造的探测需求[8]。

以电磁波层析成像技术为手段对1303 工作面前方隐伏构造进行探测，能够精准确定工作面前方多种隐伏构造的类型及影响范围，为工作面过隐伏构造的方案设计提供可靠的理论依据，提高回采期间的作业安全。

1 工程概况

1303 工作面位于李村煤矿井田北部，工作面走向E18°S，工作面北部为设计1305 工作面，南部1302 工作面，西部为一采区大巷，东部为井田边界。工作面开采煤层厚5～5.3 m，平均厚度5.1 m。该工作面总体地势西南高东北低，总体呈一向东北倾的单斜构造，倾角 3°～9°，工作面东部坡度较大，西部较缓。工作面掘进时揭露断层FJ25（H=2 m ∠39°）、FJ27（H=1.8 m ∠75°）、FJ17（H=2.5 ∠51°）；在1303 进风巷距离切眼320～360 m 处有1 处向斜。

当工作面推进至切眼大约280 m 时，92#～123#架间顶板发生大面积冒顶现象，且掉落块岩成分皆以坚硬砂岩为主，块度大，硬度高，矿用破碎机无法破碎，现已对运转设备及作业人员的人身安全造成严重威胁。为遏制破碎顶板的大面积垮落，进一步探明工作面前方煤壁中的其他隐伏构造，特此采用无线电波对工作面前方区域进行坑道透视，以提高工作面回采期间的安全作业管理。

2 电磁波透视方法的确定

2.1 电磁波透视原理

无线电波坑透法是基于电磁波的发射、反射、折射及绕射原理，通过不连续介质中的介质体电性不同，以电磁波能量吸收量作为评判标准，从而得出不连续构造带的岩性成分及构造边界线。采用无线电波进行坑道透视时，电磁波按照规定路径传播，当传播介质发生变化后，传播路径会发生折射与绕射现象，通过对比能量的损耗与接收情况，能够精准地判断出电磁波传播路径发生偏移的界限点[9]。当电磁波由低阻岩层穿过高阻岩层或由高阻岩层穿过低阻岩层时，电磁波同样会发生能量的损耗，且低阻岩层对电磁波的吸收作用效果较好，通过电磁波信号的接受强弱，可以判断出电磁波异常传递区的范围以及传播介质发生变化后的构造带类型[10]。

2.2 发射点的布置

本次1303 工作面构造带采用定点法探测，这种方法不易出现差错，且速度快、效率高，易于操作。采用定点法时，首先针对探测区域的巷道处选取合理的发射点，并按照发射间距将发射机固定于相应的发射点处，在相对应的巷道内按照接受间距布置接收机，观测并记录每个发射点对应接受范围内的场强值。选取发射点距50 m，接收点距10 m，每个发射点所对应接受点数量为11～20 个，发射点与接受点对应布置情况如图1。

图1 无线电波坑道透视定点法布置示意图Fig.1 Schematic diagram of radio wave tunnel perspective fixed point method

由于地下岩层构造复杂，电磁波在地层中传播时同时会受到工作面巷道的反射波、漫反射波，顶底板围岩波以及煤层不均匀性影响等诸多二次场的干涉影响，导致实际得到的场强值为一次场与多组二次场的综合值，异常传递区所表现出的阴影效果变得模糊，从而影响构造边界的判定。因为，为改善电磁波异常传递区的判定效果，电磁波工作频率的合理选取至关重要，若频率过高，则电磁波会受高阻岩层吸收作用较大，电磁波有可能无法穿过地质异常区，若频率较低，则由于存在一次绕射作用，导致一定范围内的地质构造异常区被掩盖，通用无法得到准确的地质异常区范围。根据1303 工作面的实际情况及现场测试，本次探测工作选取频率为0.3 MHz的电磁波进行井下数据采集。

3 无线电波坑透法探测分析

3.1 无线电波坑透方案

本次坑道透视选取探测仪器为WKT-E 本质安全型矿用防爆无线电波坑道透视仪，该套设备包含发射机、接收机、发射天线、接收天线以及地面充电器等多组配件，测量场强值由井下采集之后，可传输至计算机进行分析处理。

本次工作面无线电波探测工作以1303 工作面进风巷与1302 工作面辅助回风巷为探测巷，两巷各布置探测长度1 150 m，其中1303 进风巷布置发射点22 个，接收点242 个，1302 辅助回风巷布置发射点22 个，接收点242 个，共布置电磁波发射点44个，每个发射点对应场强接收点11 处，共计场强实测点484 个。

1302 辅助回风巷：开口处为615#测点，向切眼方向每隔10 m 顺序递减，测点号为615#、610#、605#、…、至500#测点为止。

1303 进风巷：开口处为115#测点，向切眼方向每隔 10 m 顺序递减，测点号为 115#、110#、105#、…、至 0#测点止。

按照李村煤矿1303 工作面的地质特征，设计发射点间距为50 m，均匀布置于两巷道。每个发射点按照接受范围在对应巷道中布置实测点11 处，1303工作面无线电波定点法测点布置图如图2。

图2 1303 工作面无线电波定点法测点布置图Fig.2 1303 working surface radio wave fixed point method measuring point layout

本次探测范围内背景场基本在5 dB 以下，实测场强值总体上在20～60 dB 之间，实测场强远大于背景场，说明本次采集数据质量合格，但巷道电缆、开关以及属器件对原始数据的采集和资料解释存在有一定影响。

3.2 探测数据处理与分析

3.2.1 无线电波透视 CT 成像图

将实际测得的场强值输入透视系统专用软件进行处理分析，得到的1303 工作面无线电波透视CT成像图如图3。通过分析CT 成像图中的场强衰减情况，将小于-5 dB 划为异常，由此可得到4 处探测异常区，其中第1 处异常区距离开口较近，位于592#～607#测点之间，该异范围较大，异常反应在595#发射点处相对较强；第2 处异常区位于25#～40#测点之间，综合矿井地质资料及现场探查情况分析，推测为1303 进风巷揭露断层FJ25向工作面延伸的反映，但不排除该范围内存在其他隐伏构造的可能；第3处异常区位于513#～521#测点之间，异常范围相对较小，根据巷道掘进过程中揭露情况分析，推测可能为揭露断层FJ17向工作面内延伸的反映。第四处异常区位于切眼处，在0#～10#测点之间，根据现场勘查情况分析，该异常区为工作面回采塌陷区。因第4处异常区为工作面回采塌陷区，不属于工作面前方未探明隐伏构造，因此不作分析。

图3 1303 工作面无线电波透视CT 成像图Fig.3 1303 working face radio wave perspective CT imaging

3.2.2 主要异常区的综合曲线图

在分析场强综合曲线图时，若出现实测场强变化曲线与对应的理论场强变化曲线差异较大，则表明此范围内的场强衰减比例较大，电磁波能量吸收较强，也就是存在着地质构造异常区。对实测场强值数据进行整理分析，绘制的3 处隐伏构造探测异常区的场强值综合曲线图如图4～图6。

图4 第1 处构造异常异常区实测场强综合曲线图Fig.4 The first comprehensive anomaly area

图5 第2 处构造异常异常区实测场强综合曲线图Fig.5 The second comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves

图6 第3 处构造异常异常区实测场强综合曲线图Fig.6 The third comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves

1）发射点 90#～105#、590#～605#发射点对应的综合曲线如图4，场强与理论场强值均存在一定差值，而595#、95#、100#发射点对应的综合曲线图，实测场强值与理论值差异相对较大，反映出来的异常相对明显，衰减系数达到-20，说明该范围内存在一定地质异常，综合巷道成巷时的揭露情况可推测此区域可能属于煤层破碎带或层间断层。

2）发射点 525#～540#、25#～40#发射点的综合曲线如图5。实测场强与理论场强存在一定差值，其中530#、535#、30#、35#发射点处的实测场强与理论场强差值较大，场强曲线呈锯齿状分布，推测该范围内存在地质异常，结合李村煤矿矿井地质探测资料与工作面揭露状况可以得到，此区域可能为FJ25断层带的延伸反应。

3）发射点 510#～520#、10#～20#发射点的综合曲线如图6。实测场强与理论场强存在一定差值，但实测场强与理论场强值相差较小，综合1306 备用工作面地质资料，推断此区域可能为FJ17断层的延伸反应。

3.3 探测结果

本次1303 工作面无线电波探测报告，经数据传输、编辑、巷道绘制、测点布置、CT 多重计算、参数校验等多个步骤，最终得到无线电波坑透综合曲线图及CT 扫描成果图。

根据分析本次坑透试验的实测场强曲线值变化特征与吸收系数CT 成像图，为扩大地质异常区的探测范围，将分贝小于-5 dB 的区域划定为地质构造异常区。本次坑透探测共发现地质异常区3 处，可将其编号为 YC1、YC2、YC3。

1）YC1异常。异常区距进风巷开口161～353 m，辅助回风巷161～353 m，沿工作面走向影响范围约为193 m，异常范围相对较大，推测该异常可能为煤层破碎带或层间断层的反映，对工作面的回采影响相对较大。

2）YC2异常。异常区距进风巷开口847～960 m，辅助回风巷873～980 m，沿工作面走向影响范围分别为134 m，推测可能为FJ25断层向工作面内延伸的反映，但不排除存在其他隐伏构造的可能。对工作面的回采影响相对较大。

3）YC3异常。异常区距辅助回风巷1 024～1 105 m，沿工作面走向影响范围约为81 m，推测可能为FJ17断层向工作面内延伸的反映，若为FJ17断层向工作面内延伸，延伸距离可能为76 m 左右，对工作面的回采有一定影响。

4 结 论

1）通过电磁波衰减层析成像原理对1303 工作面进行探测，共完成测点484 个，发射点44 个；共发现无线电波透视异常区3 处，分别为煤层破碎带或层间断层的反映（YC1）、FJ25断层向工作面内延伸的反映（YC2）、FJ17断层向工作面内延伸的反映（YC3）。

2）结合工作面现推进位置，揭示了工作面92#～123#架间顶板发生大面积冒顶的根本原因是FJ17断层向工作面内延伸的反映。

3）确定了3 组透视异常区所存在的隐伏构造类型及影响范围，为李村煤矿1303 工作的安全回采提供了可靠的理论依据。