矿井孔-巷无线电磁波透视探测方法

张 军

(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

无线电波透视法是煤矿常用的一种矿井地球物理方法，它能有效地探测采煤工作面附近隐伏地质构造。常用的观测方式为发射机沿巷道逐点发射,接收机在另一巷道逐点接收，从而对工作面内的地质情况进行探测[1-3]。

近年来科研人员对无线电波透视技术进行了相关的研究工作，主要集中在数值模拟、电磁波传统基础理论、数据处理解释方面。2013年，刘鑫明等[4]开展了无线电波透视基于改进振幅衰减常数的层析成像研究，提高了层析成像的反演精度。2015年，肖玉林等[5]利用了不同发射频率对煤层工作构造进行了探测，对比分析了不同频率条件下异常构造在层析成像中的反映情况，结论表明不同探测频率的反演均对异常构造有明显响应，低频率的电磁波穿透性强，高频率的电磁波反应较灵敏。

矿井的诸多地质构造是影响安全生产的主要因素，因此需要更高精度的矿井地球物理设备进行精细化探测。常规使用的无线电磁波透视在探测时会受到来自矿井复杂环境下的各种干扰，影响探测效果。在探测施工时需要形成两条巷道分别进行发射和接收信号，在只有一条独头巷道的情况下无法使用该方法。因此，笔者研究了煤井孔-巷无线电磁波透视系统，该系统不仅能够解决独头巷道无法进行无线电磁波透视探测的难题，而且能够在接收信号的精度上有大幅度的提高，达到精细化探测的目的。

1 孔-巷无线电磁波透视理论

无线电磁波透视法是一种利用探测目标与周围介质之间的电性差异，通过研究电磁波在巷道间传播特性和衰减吸收的情况，来分析、判定目标体位置、大小、形态及物性参数的一种常用的物探方法[6-9]。无线电磁波透视仪由主机，发射线圈、接收天线组成。通过主机进行命令发送以及测量数据的处理，最后进行数据保存。

矿井孔-巷无线电磁波透视探测是矿井无线电磁波透视探测的一种形式，与常规巷-巷无线电磁波透视施工不同的是，施工时采用固定发射线框于巷道，布设孔中接收探头的探测方式，因为接收探头置于钻孔内进行接收，可以有效减弱外界干扰，提高信噪比。接收探头在孔内接收减小和异常体的距离，从而可以得到更强的响应信号。

通过研究影响仪器性能的关键因素，采用高磁导率、磁芯孔中接收技术提高接收的灵敏度。根据无线电磁波透视信号特性，通过电磁感应线圈拾取电磁场信号，根据使用环境，设计接收探头的结构。根据孔-巷无线电磁波透视探测原理，通过对井下施工方法、布极方式及现有无线电磁波透视的分析，设计适用于矿井的孔-巷无线电磁波透视系统。

1.1 无线电磁波透视理论

无线电波透视技术中的空间电磁波的场源实际上就是天线上的时变电流，求解天线信号问题本质上就是求解边值问题，即求解满足的边界条件解麦克斯韦方程组[10-12]。煤层工作面坑透通常采用的是偶极子天线发射，其电磁波的传播公式[13]为

(1)

式中，E为介质中某点的实测场强值，μV;E0为初始场强值，μV;β为介质吸收系数;r为发射点到接收点之间的直线距离，m;sinθ为方向因子，其中θ为发射天线轴与观测点方向间的夹角。

式(1)为目前常用的无线电磁波透视的电磁波传播公式[5-9]。在无线电磁波透视探测中，接收机接收到的实测场强单位为分贝值(dB)。根据麦克斯韦方程电场强度E与磁场强度H之间的关系式为

(2)

经过计算后得到

H=H0-8.68(lnr+βr)

(3)

其中，H为实测磁场强度值，dB;H0为发射辐射磁场强度值，dB;β为相位常数，dB/m。式(3)为仪器实测场强值的场强计算公式。由式(3)可以看出仪器实测场强值主要与发射辐射场强值、磁场发射与接收点的距离以及介质的吸收系数有关[14-19]。

1.2 孔-巷无线电磁波入射角度的关系

式(3)为将θ默认为90°计算得到的，在孔-巷无线电磁波透视中θ不都为90°。在进行孔-巷无线电磁波透视探测中需要考虑发射天线轴与观测点方向间的夹角对探测结果的影响。在计算发射场强值时，应根据发射天线轴与观测点方向间的夹角计算观测点的初始场强值[20]。

无线电波透视设备测量固定频率的透射波的磁场(或电场)分量，分析电磁场强度的变化就可以推断介质的物理性质变化。实测场强和辐射场强的关系[20-22]为

(4)

式中，p为振幅衰减常数;θi为发射天线轴线与观测点之间的夹角。

式(4)中的p为振幅衰减常数，其与振幅衰减系数α，相位系数β以及波数有关，有

(5)

其中，k1为波数，与电导率σ、真空磁导率μ0、介电常数ε0有关，即

(6)

通过式(4)～(6)可以看出，当频率一定时，振幅衰减常数p为煤(岩)介质的电导率、磁导率、介电常数、及入射角的函数。说明在考虑夹角影响的情况下，可以提高无线电波透视的精度[23-25]。

假设煤岩介质的相对介电常数为8，电导率为1×10-3S/m，当无线电波透视常用频率分别为0.3,0.5,0.7，1.0 MHz时，振幅衰减常数p随入射角度θi变化的关系如图1所示。

图1 衰减常数与入射角度变化关系Fig.1 Relation between attenuation constant and incident angle

由图1可以看出，当频率固定时，振幅衰减常数p随入射角度θi的增大而变大。说明在进行无线电透视探测时，电磁场信号入射角对探测结果影响较大。因此，在进行无线电磁波探测时需要考虑入射角的变化对探测结果的影响，保证入射角一致，才能提高探测精度。

1.3 电磁波衰减与相关参数的关系

电磁波场的相位改变主要反映介质的介电常数变化，对于电磁波透视中的过渡场，振幅衰减系数α和相位系数β的变化是电导率和介电常数共同作用的结果[26-30]。

将天线辐射的电磁波在研究区域内等效为平面电磁波，计算传播时煤岩介质中经典的振幅衰减常数[4]为

(7)

(8)

式中，ω为角频率,rad/s;ε1为煤层介质介电常数,F/m;σ1为煤层介质电导率，S/m。

矿井煤层及顶、底板不同类型的岩层影响电磁波传播的物性特征，结合式(5)，(7)与(8)可计算出振幅衰减常数p与煤岩层电导率变化关系。计算出电磁波在不同煤(岩)介质中传播时与振幅衰减常数与煤岩层相对介电常数之间的规律，其变化规律如图2所示。

图2 电磁波衰减常数与介电常数的关系Fig.2 Relation between attenuation coefficient of electromagnetic wave and dielectric constant

实验分别测试了矿井常见的砂岩、泥岩以及普通煤层电磁波衰减系数和波的频率之间的关系。通过测试可以看出，不同煤(岩)层之间电磁波衰减系数变化差异较大。在频率较低时，不同煤(岩)层间衰减系数相差不大，说明在低频条件下难以通过电磁波衰减系数区别煤(岩)层属性;在频率逐渐变高的过程中，不同煤(岩)层间衰减系数变化越来越大，说明在高频条件下易于通过电磁波衰减系数区别煤(岩)层属性。

由于振幅衰减系数和相位系数的变化是电导率和介电常数共同作用的结果。需要通过数值计算的方法分别研究电导率和介电常数对衰减系数和相位系数的影响。

结合式(5)与(7)可计算出振幅衰减常数p与煤岩层电导率变化关系。假设煤层介质的相对介电常数为8，相对入射角θi为45°，无线电波透视频率分别为0.1,0.3,0.5,1.0 MHz下振幅衰减常数p随电导率σ变化的关系，如图3所示。

图3 衰减常数与电导率变化关系Fig.3 Relation between attenuation constant and conductivity

由图3可以看出，在频率相同的情况下，衰减常数p随电导率σ升高而变大，电导率对衰减常数的影响较大，说明电磁波在电导率较高的介质中衰减更快;当频率不同时，振幅衰减常数值随电磁波的工作频率升高而变大，说明频率较高的电磁波在介质中衰减较快;当频率不同且电导率升高时，衰减常数随电导率升高而快速升高，说明高频电磁波随电导率变化比低频电磁波更快。

使用相同的数值计算的方法，研究了介电常数对振幅衰减常数的影响。通过公式计算，认为振幅衰减常数随着相对介电常数的增大而增大。

2 孔-巷无线电磁波透视工作方法

孔-巷无线电磁波透视与传统巷-巷无线电磁波透视探测不但施工方式不同，而且在探测装备的接收部分的硬件系统及数据处理方式上都有多差异。针对孔-巷无线电磁波透视探测的特殊条件不施工环境，设计了钻孔接收天线，针对不同方式的钻孔设计了不同类型的施工布置方法。钻孔接收天线可有效减少巷道接收条件下的各种干扰，孔-巷探测方式的施工布置方法可更加接近异常地质体，从而提高无线电磁波探测精度。

2.1 钻孔接收天线设计

传统无线电磁波透视采用两个巷道分别发射与接收的探测方式，首先需要保证有两个可供施工的巷道，如果只有一条掘进巷道则无法开展无线电磁波探测工作。提出的孔-巷无线电磁波透视是在只有一条独头掘进巷道的情况下，利用巷道和巷道中的钻孔形成工作条件，进行无线电磁波透视，达到探测隐伏地质构造的目的。由于常规无线电磁波透视天线面积较大，无法适用于孔-巷探测的任务。为了解决这个问题，需要针对钻孔接收天线进行重新设计，根据孔-巷无线电磁波透视施工的需要，设计了孔-巷无线电磁波透视接收天线，钻孔接收天线电路原理如图4所示。

图4 钻孔接收天线电路原理Fig.4 Schematic diagram of borehole receiving antenna

根据常规钻孔规格，进行设计的钻孔天线的技术指标如下:钻孔接收天线设计适用于钻孔深度不大于200 m;孔径不小于70 mm;接收线圈外径为50 mm;电压分辨率为1 mV;等效接收面积约200 m2。图5为钻孔接收天线示意。

图5 接收天线示意Fig.5 Schematic diagram of receiving magnetic field antenna

由图5可以看出，孔-巷无线电磁波透视接收天线外筒内封装信号接收电路、放大电路、滤波电路和电池，外筒前端封装接收线圈和磁芯，接收线圈与信号放大电路相连，外筒一端设置有天线开关与电缆接口。接收天线可有效提高天线的灵敏度，提高信号信噪比，为精细测量打好基础，适用于解决中、浅部地质问题。

由于常规巷-巷无线电磁波探测采用在巷道中使用常规线圈发射，同时在巷道中采用常规线圈接收的探测方式，探测时收到巷道条件干扰影响较大。针对这样的问题设计研制了如图5所示的三分量接收探头，实现了接收探头内部的放大电路、信号切换电路等主要电路。磁芯线圈是将磁棒插入空芯线圈中组成的，磁芯线圈的面积是由空心线圈的面积和磁棒材料的磁导率决定，对提高接收效果有直接的影响。通过测试试验，证明了三分量磁感应探头技术的矿用孔-巷瞬变电磁仪工作性能稳定、采集数据可靠，探测的地质解释结果较常规巷-巷探测结果更加精确。

钻孔无线电磁波接收天线装置增加了探测距离，提高了探测结果的准确性。

在进行孔-巷无线电磁波透视施工过程中，由主机发送命令给发射控制电路，发射控制电路根据收到的指令进行控制，使发射线圈形成一次磁场，一次场向地层传播，传播过程中由钻孔内的磁感应天线接收。接收信号经过接收控制部分处理，传到主机中进行显示处理。

2.2 施工布置方法

孔-巷无线电磁波透视施工不同于以往的双巷探测。在进行孔-巷探测时，接收天线布置在已施工的钻孔中，接收天线为特制的磁接收天线。

煤矿井下钻孔有瓦斯钻孔、探放水钻孔以及地质孔等，不同的钻孔有其各自的特点。瓦斯钻孔直径相比其他钻孔较大，钻孔深度较深，主要用于瓦斯抽放;探放水钻孔及地质钻孔直径相比较小，探放水钻孔主要用于超前探放水或其他区域煤(岩)层探放水;地质钻孔主要用于超前探测或其他区域地质探测，例如探测断层、陷落柱等。

根据矿井钻孔施工的技术特点，设计了针对矿井工作面探测的2种不同类型的孔-巷无线电磁波透视施工布置方法。

(1)利用与信号发射巷道近平行的瓦斯抽放钻孔，在瓦斯抽放孔中布置接收天线，接收磁感应信号。发射与接收观测系统类似于传统巷-巷发射接收系统，但是在只有单条巷道条件下，利用已有钻孔布置接收天线完成施工的，此时接收线圈与垂直接收的线圈方向相同。发射线圈在巷道中进行信号发射，设计发射点距为20 m，接收天线在钻孔中接收，设计接收天线点距为5 m，通过巷道发射信号，钻孔接收达到探测的目的，探测示意如图6(a)所示。

(2)利用与巷道近垂直的各种钻孔，在钻孔中布置接收天线。发射线圈在巷道中进行信号发射，设计发射点距为20 m，接收天线在钻孔中接收，设计接收天线点距为5 m，同样，通过巷道发射信号，钻孔接收天线接收信号达到探测的目的，探测示意如图6(b)所示。

通过巷道-平行钻孔、巷道-垂直钻孔等不同的组合方式，达到精细化探测独头巷道情况下煤层地质构造的目的。该方法改变了以往需要2条巷道进行无线电磁波透视探测的条件限制。可以充分利用巷道中已经形成的各种钻孔进行隐伏地质构造探测，该方法即提高了钻孔利用率，又解决了地质构造精细化探测问题。

2.3 钻孔轨迹控制

孔-巷无线电波透视的观测方法中，接收天线利用钻孔空间进行等间距逐点测量。由于钻孔轨迹的质量首先受钻孔开孔精度的影响。钻孔开孔精度在钻探作为煤矿瓦斯、水害等灾害预防的手段中尤为重要。目前，大多数煤矿仍然采用传统简单测量工具结合人工测量的方法测定开孔方位角和倾斜角，其操作程序繁琐，精度极低。为解决此问题，需要使用矿用开孔定向装置，精确控制钻孔开孔角度。

在钻孔施工过程中，钻孔轨迹也会产生倾斜，因此，需要对钻孔轨迹进行测量，测量钻孔轨迹中的倾角和方位角变化，绘制钻孔轨迹左右偏差和上下偏差图，在进行孔-巷无线电波透视观测时，将该钻孔轨迹数据参与无线电磁波透视的数据计算中，使计算数据更加精确。

3 数值模拟

为指导孔-巷无线电波透视的观测方法，寻找有效的正反演参数，采用编制的时域有限元程序进行数值模拟，研究电磁波在煤层中传播的波场特征。以掘进巷道与钻孔结合的地质模型为例，通过正演模拟，研究电磁波对地质异常的响应特征，设计可靠的孔-巷结合的电磁波透视探测方法。

这里主要针对巷道-与巷道垂直钻孔进行数值模拟，通过模拟分别研究电磁波在煤层中遇到断层和陷落柱时的波场特征及信号响应规律。

3.1 模拟参数的选择

根据电磁波在常见煤岩介质中的电性参数分布规律，对煤层及煤层中常见的断层以及陷落柱的地质异常体的电学参数见表1。

表1 模型材料属性Table 1 Material affection of model

3.2 孔-巷探测方法模拟模型

区别于常规无线电透视探测方法，孔-巷无线电透视探测发射天线位于掘进巷道中，接收天线位于钻孔中，钻孔中的接收天线的接收效果与电磁波入射角度关系较大。无线电磁波透视的中高频电磁波场属于扩散场，单独测量衰减系数无法充分利用煤层透射电磁波所携带的全部地电信息。当接收点延钻孔逐点探测时，相对于发射点的入射角度θi，接收点相对于发射点的入射角度不断变化且不为0，远端接收点相对发射点的入射角度较大。因此，在测量衰减系数的同时需要考虑电磁波信号入射角度对探测结果的影响。

为研究煤层中的电磁波在遇到常见的断层及陷落柱等地质异常体时的电磁波衰减特性，对煤层中的常见异常类型进行模型模拟，断层使用条带状模型模拟，陷落柱使用圆形模型模拟。设定发射天线及接收天线频率为0.5 MHz，发射天线位于掘进巷道中，接收天线位于与巷道方法垂直的钻孔中。

以条带状低阻、高介电常数异常区代表断层模型，研究断层存在对电磁波场的影响。煤层电导率1×10-4S/m，煤的相对介电常数为4，含水断层异常区的电导率为0.1 S/m，相对介电常数10，模拟区域为350 m×200 m，断层长度为100 m，模型如图7(a)所示;在模拟区域正中心放置一个低阻、高介电常数圆形异常模拟陷落柱，陷落柱的电导率为0.1 S/m，相对介电常数10，异常直径为50 m，模型如图7(b)所示。

图7 不同异常的模拟模型Fig.7 Simulation model of different anomalies

通过设计不同类型的模型，计算不同模型条件下孔-巷无线电波透视的异常反应特征，研究当电磁波传播时，电磁波的衰减系数受介质电导率、介质常数的影响程度。通过数值模拟发现，当电磁波传播时，衰减系数主要受介质电导率的影响，相位系数主要与介质常数有关，模拟结果如图8所示。

图8 不同异常类型的场强值Fig.8 Magnetic field intensity values of different anomalous

由图8可以看出，模型中对断层以及陷落柱模型的磁场强度值模拟说明断层对于电磁波的能量有较强的衰减作用，陷落柱对于电磁波的能量有比断层更强的衰减作用，观测不同构造类型的磁场强度信息并进行反演将提高目前成像方法的精度。用振幅衰减系数α建立的低阻断层与陷落柱模型衰减层析图像结果，如图9所示。

图9 振幅衰减系数α数值模拟Fig.9 Numerical simulation of amplitude attenuation coefficient α

由图9可以看出，利用孔-巷无线电磁波透视可以较好地对地层中的断层和陷落柱异常模拟成像。当存在断层或陷落柱构造时，效果明显，断层或陷落柱的实际位置和走向能准确判定。

上面仅就简单的异常构造进行了数值模拟计算，在煤矿井下不同性质和地质成因的异常构造经常伴生发育，同一个异常区中存在多个不同异常构造时，规模较大的构造异常往往掩盖规模较小的异常，数据解释时只能将其圈定为一个异常区域。

4 实际应用

山西某煤矿工作面，掘进巷道600 m，为查清巷道左侧隐伏小构造情况，采用孔-巷无线电磁波透视的方法进行探测，对已掘巷道打钻进行隐伏构造探测。根据无线电磁波透视技术特点，每间隔150 m施工一个钻孔，钻孔深度120 m左右，根据现场条件共施工5个钻孔，钻孔直径73 mm，探测设计方案如图10所示。

图10 孔-巷无线电磁波透视探测设计Fig.10 Radio magnetic wave perspective detection design of hole-roadway

考虑到探测分析需采用实测信号更强的结果更加可靠，探测时采用较低的300 kHz频段，低频磁场可以在煤层地质构造复杂异常区仍能接收到较好的信号。探测采用在巷道使用线圈发射无线电磁波信号，为保证探测效果更加精细，发射线圈点距为10 m;在钻孔每间隔2 m的距离使用钻孔专用接收天线接收。

通过探测发现，正常煤层段场强值与地质异常段场强值差异明显。对实测场强值进行不同参数的处理，更加直观地反映构造异常区的分布状态，结合巷道已施工的钻孔资料，做出了较为准确的精细化数据解释，为工作面回采提供准确的地质预报。

探测数据采用层析成像数据处理方法进行处理，由图11的探测成果图以及图12的实测场强曲线图可以看出，成果图反映的地质异常段共有4处，分别标记为1～4号异常区，其中，1号异常区推断为大型陷落柱，位于巷道50～0 m处，为团状的相对高衰减系数值和相对低场强值。2号异常区推断为小型陷落柱，位于巷道260～270 m处，该异常区导致出现更高的衰减系数值和相对低的场强值。3号异常区推断为断层，位于巷道460～500 m处，表现为条带状的相对高衰减系数值和相对低场强值。4号异常区推断为断层，位于巷道530～560 m处，表现为条带状的相对高衰减系数值和相对低场强值。

图11 无线电磁波透视衰减系数成果Fig.11 Radio-magnetic wave perspective detection results

图12 实测场强曲线Fig.12 Field strength curves

以上推断异常区根据工作面回采验证情况看，主要地质异常的范围控制较好，分析工作面内地质构造的性质与位置情况。孔-巷无线电磁波透视探测结果与实际回采验证结果吻合较好，该方法可以应用于实际探测。

5 结 论

(1)通过对无线电磁波透视理论方法的研究以及矿井生产中存在的问题，研究了孔-巷无线电磁波透视探测方法，该方法可有效解决常规无线电磁波透视探测中存在的在独头掘进巷道中无法进行构造探测的问题，孔-巷无线电磁波透视可在独头巷道中利用巷道和钻孔进行无线电磁波透视探测，达到精细化探测的目的。

(2)分析了孔-巷无线电磁波透视探测可行性以及相关参数的变化规律，模拟了孔-巷无线电磁波透视探测的磁场分布规律和探测效果，通过数值模拟说明该方法可有效地进行地质构造的探测任务。

(3)对孔-巷无线电磁波透视实测数据进行了层析成像成图分析，经过煤层工作面回采，推断的探测异常区均得到了准确验证，说明该方法对于矿井地质构造探测确实有效。

(4)通过理论、数值模拟以及实测数据分析的结果来看，孔-巷无线电磁波透视探测方法能够较好的解决常规无线电磁波透视探测无法解决的问题。但是由于不同矿井煤(岩)层的物理力学性质存在多样性与复杂性，因此，需要结合实际的煤(岩)层物性进行进一步的深入研究。另外，无线电磁波透视超前探测也是今后需要研究的方向。

(5)在通过巷道与钻孔结合的方式，改变了传统的探测方法，对隐伏地质构造进行了更加精细化的探测。该方法在今后的煤矿生产中将会发挥更大的作用。