回采工作面断层构造无线电波反射测量方法研究

2022-03-18顾焕琪吴荣新沈国庆胡泽安

煤田地质与勘探 2022年2期

顾焕琪，吴荣新 ,2，沈国庆，胡泽安 ,2

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.矿山地质灾害防治与环境保护安徽普通高校重点实验室，安徽淮南 232001)

在新一轮的矿产资源总体规划期和展望期 (2020−2030 年)中，由于我国煤炭资源丰富、少气、贫油的能源结构特点，仍决定了煤炭在能源消费结构中的主体地位，在未来的经济发展中发挥着重要的作用[1-2]。近几年煤矿机械化和综合机械化在全国已逐步普及，“有人巡视，无人值守”的智能化精准开采成为我国煤炭工业的发展主流[3]。煤炭精准开采的提出要求矿井地质工作更标准化、精细化、透明化，而我国煤层的赋存条件复杂，煤炭开采难度较大[4-5]。工作面内隐伏构造发育、煤层倾角大幅度变化、煤层变薄区等复杂地质条件也会造成瓦斯突出、水害等一系列的煤矿地质灾害的发生，对生命健康及财产安全产生巨大的危害。查明工作面内断层等地质异常体，矿井工作面地质条件透明化，是煤炭智能化精准开采的重要基础。目前地震勘探法、直流电阻率法、无线电波透视等方法广泛应用于工作面地质异常探查，但对于一些落差小于1/3 煤厚的断层，探测精度亟需提高。

国内外诸多学者针对无线电波透视技术对其传播理论、成像算法、观测应用等方面进行了大量的研究和改进。在传播理论方面：在层状地电模型和单一介质模型中，煤层顶底板电性变化和煤层厚度会对相位造成影响[6-7]。通过COMSOL 建模发现矿井井下巷道尺寸和收发位置对井下巷道无线电波传播也有显著影响[8-9]。在成像算法方面：用预选的强制谐振方式的煤层波导进行无线电波成像研究是有一定局限性的[10]。在煤层波导模型中，电磁波在煤层中传播过程中相位产生滞后现象，应用ANSYS 进行正演，验证了相位层析成像的可行性[11-12]；而利用改进的振幅衰减常数也大大提高了探测精度[13]。此外，初始场强的确定对无线电波的成像精度有一定的影响，由初始场强值、吸收系数值和背景场强值可以有效确定工作面透视宽度值[14-15]。在应用方面用多频率无线电波探测大范围的薄煤区其效果良好[16]。

由隐伏构造引发的矿井突水问题严重威胁着矿井安全。常用来探测断层等地质构造的物探手段有槽波地震，三维地震，直流电法，无线电波透视。高密度全数字三维地震勘探技术，经过二次处理后，提高了地震资料的信噪比和分辨率，在识别小断层、查找陷落柱、刻画灰岩地层裂隙等方面效果显著[17]。并且利用槽波相对透射系数层析成像方法也可清晰地反演出高度小于1/3 煤厚的巷道的位置及形态[18]。

无线电波透视探测作为非接触式高频电磁波勘探技术，凭借其仪器轻便、探测人员少、数据采集快和探测效果显著等优点，成为探查工作面异常地质构造的常规和必备手段[19]。但仍存在无线电波传播研究薄弱，无线电波信号在煤层中的能量衰减较快，大宽度煤层工作面透射无线电波探测面临制约等问题。基于此，本文提出煤层工作面无线电波反射探测方法，研究电磁波经异常体反射后的电磁波信号变化，为探测地质异常构造提供一种新思路，提高探测精度。

1 反射无线电波勘探原理

1.1 煤层中无线电波传播原理

电磁波在含煤地层进行垂直和平行传播，垂直层理介质不均匀，水平层理介质近似均匀，其强度、相位大小直接与岩矿石的电阻率ρ、介电常数ε和磁导率μ等电磁参数有关。不同的电磁参数，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作用，造成一定的能量损耗。

采煤工作面巷道布置在同一煤层中，无线电波发射和接收均在同一煤层中，介质均匀。设辐射源中点O为原点，煤层中发射点P到接收点的直线距离为r，煤层中电磁波在任意点强度表示为：

式中：Hm为任一点实测场强；H0为发射介质初始场强，μV；β为介质吸收系数，dB/m ；θ为发射天线轴与观测点方向间的夹角，(°)。由式(1)可见，场强Hm大小随r、β变化，射线路径中介质β值是场强变化的关键：

由式(2)可知，在一定频率下，β是电导率σ、介电常数ε、磁导率μ、工作频率f的函数，角速度w=2πf。顶底板与煤层的导磁率差异很小，但介电常数变化较大，在电波射线路径出现断层、陷落柱、剥蚀带，β与Hm值会发生明显变化。

1.2 反射无线电波勘探原理

传统无线电波透视的接收机和发射机位于双巷中，发射机在工作面一侧巷道发射电磁波，接收机在另一侧巷道接收经过煤层透射过来的电波。但是这种方式对于大面宽的工作面以及单巷道的煤层来说无法准确有效地探测出地质异常区的赋存情况。采用无线电波反射方法探查地质异常区，可以仅需单巷道进行探测，获取探测区地质异常的深度及范围，操作简单，提高探测分辨率，原理如图1 所示。

图1 回采无线电波反射勘探Fig.1 Radio wave reflection exploration in mining face

高频电磁波的传播路线可以用直射线近似，而无线电磁波的频率段属于高频电磁波，所以基于直射线的无线电波传播理论同样适用于反射[20]。

当发射的无线电波在巷道周围未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场值为发射源通过巷道空腔及巷道表面传播的无线电波直达能量，该接收点的理论场强值B0为：

式中：X0为发射点和该接收点间的间距；A为无线电发射机发出的无线电波场强值；β2为无线电波在钻孔空腔及钻孔液传播的能量衰减系数。

若该接收点的实测场强值BP=B0，则说明该接收点接收的反射无线电波未遇到地质异常区。若任一接收点的实测场强值BP≠B0，则说明该接收点接收的反射无线电波遇到地质异常区。此时该接收点的理论场强值BP：

当反射系数和X0不变时，设β为0，β2为0.01，X0为60 m，当在远端时，理论场强值对实际接收场强影响不大，可忽略不计，得到地质异常区距离发射点所处巷道的深度DP与实测场强的关系图，如图2 所示。由图2 可知，随着DP的增大，实测场强逐渐减小。根据理论分析，当发射点与接收点距离以及地质异常区距巷道深度过大时，反射系数对实测场强值的影响不大。

图2 地质异常区的反射无线电波理论场强曲线Fig.2 Theoretical field intensity curve of reflected radio waves in geological anomaly area

2 二维数值模拟实验

2.1 GprMax 模拟理论基础

Maxwell 方程组描述电磁场各属性参数之间的相互关系，在宏观上，所有的电磁现象都可利用Maxwell 方程组进行描述。时域差分算法直接求解依赖于时间变量的Maxwell 旋度方程组，在一定尺度的时空间隔上对边界电磁场数据抽样，直接模拟电磁波的时域作用过程。

式中：Hx、Hy、Ez分别为x、y方向磁场和z方向电场；μ为相对磁导率，H/m；σe为电导率，S/m；σm为等效磁导率，W/m。

GprMax 是Giannopoulos 推出的一种基于时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)算法和理想匹配层(Perfectly Matched Layer，PML) 边界吸收条件的电磁波二维、三维数值模拟软件[21-22]。该软件可以模拟电磁波在不同相对介电常数介质及异常体模型中的波场分布，得到地下各地层及异常体的电磁波响应信号。

2.2 水平煤层同巷模拟

为了全面认识同巷内无线电波的传播规律和波场特征，构建二维含煤地层电性模型，分析研究反射无线电波在煤层中的传播衰减特征。非磁性常规介质的典型电性参数见表1。

表1 模型介质参数Table 1 Model medium parameters

模拟区域250 m×100 m，模型巷道自由空间厚10 m，煤岩混合物沿着中间巷道上下对称。模拟网格步长为Δx=Δy=0.5 m，模拟时窗tw=30 μs。在巷道中发射一个频率为1 MHz，振幅为105的连续正弦波。发射源初始位置为(50 m，50 m)，设置30 个间距为5 m的接收点(55～200 m)，数值模型（模型1）如图3 所示。

图3 正常煤层数值模拟模型Fig.3 Numerical simulation model of normal coal seam

基于二维模型，得到电场和磁场两分量的数值模拟信号。取接收位置75 m 处电场分量和磁场分量模拟信号如图4 所示。

图4 正常煤层模型75 m 处信号Fig.4 Signals at 75 m of normal coal seam model

数值模拟结果整体呈正弦信号的特征，对每个接收点的Hx分量正弦信号进行傅里叶变换，选取变换结果中频率为1 MHz 所对应的振幅A，并根据下式计算得到每个接收信号的场强值如图5 所示。

图5 无线电波Hx 分量能量衰减曲线Fig.5 Energy attenuation curve of Hx component of radio wave

由场强值随距离变化曲线可以看出，Hx分量信号的场强值随着电磁波的传播呈现衰减趋势，由此可以证明，无线电波在煤层中传播时的能量衰减在源检距5～100 m 范围内，符合近似线性衰减规律。在150 m之后由于能量过小，计算误差的存在导致数据信噪比降低。但总体而言，无线电波在煤层巷道中Hx分量信号的场强值衰减与传播距离呈现近似线性关系。该规律为无线电波反射奠定了理论基础。

2.3 断层异常同巷模拟

构建含有断层煤层的二维模型，模拟尺寸250 m×100 m，模型巷道自由空间厚10 m，介质材料同水平煤层模型相同(表1)。模拟网格步长为Δx=Δy=0.5 m，模拟时窗tw=30 μs，在100 m 处设置距离巷道5、10、15、20、25、30 m 等不同距离的断层。在巷道50m 处发射一个频率为1 MHz，振幅为105的连续正弦波。接收点间距为5 m(55～200 m)，含断层数值模型（模型2）如图6 所示。

图6 含断层煤层数值模拟模型Fig.6 Numerical simulation model of coal seam with fault

由于无线电波信号的波长较大(百米级)，在时间域内难以进行直达波和反射波的区分，但在合适的源检距情况下，存在反射波叠加的信号强度强于无反射波的信号。基于断层二维数值模型，可以得到100 m处相应的两分量电磁波数值模拟信号如图7 所示，对数值模拟结果中不同位置断层的Hx分量信号进行分析，计算出不同位置断层Hx分量的场强值如图8 所示。与无断层煤层相比，含有断层的Hx分量场强值在断层附近处会发生数值突变，场强值先增大再随之减小；并且随着断层距巷道距离的增大，反射能量随之减小，当断层距巷道25 m 以后，场强值突变不明显。

图7 含断层煤层模型100 m 处信号Fig.7 Signals of fault location coal seam model at 100 m

图8 不同位置断层无线电波Hx 分量能量衰减曲线Fig.8 Energy attenuation curves of Hx component of fault radio wave at different positions

通过数值模拟得到的能量衰减曲线图与理论上的场强图(图2)进行对比发现：当断层与巷道的距离增大时，反射波的能量会减小。模拟结果大致与理论相符，验证了本次模拟的有效性。

3 工程实例

3.1 工作面概况

某矿1231(1)工作面走向长1 550～1 580 m，倾斜长213 m，煤层结构简单，开采煤层为11-3 煤，煤厚0.4～3.0 m，平均1.7 m，黑色块状，内生裂隙发育，沥青光泽，以暗煤为主，含亮煤，属半亮型煤。煤层赋存较稳定，总体上呈单斜状，北高南低，煤(岩)层产状180°～215°∠5°～35°，平均倾角24°。工作面煤层直接顶为砂质泥岩，基本顶为细砂岩，直接底为砂质泥岩。该面在掘进过程中共发现断层12 条，其中落差≥3 m的有2 条(表2)。

表2 落差≥3 m 断层产状Table 2 Fault occurrence with fall ≥ 3 m

3.2 工作方法

本次探测选用YDT88 矿用无线电波透视仪。根据工作面揭露的地质构造以及探测长度面宽等因素，采用0.965 MHz 进行整条巷道的无线电波反射探测。为确保仪器的穿透距离和探测精度，在轨道巷、运输巷各布置9 个发射点，运输巷发射点布置在离切眼30 m的位置上，每隔10 m 设置一个接收点，发射点不动，依次在预设好的接收点上接收，每个发射点对应18 个接收点，因此，每条测线180 m，分别记录下每个接收点的场强值。

为了研究断层下无线电波反射的衰减特性，在轨顺离切眼1 080～1 360 m 断层发育较好的地段，设置一个发射点位于1 080 m 处，每隔10 m 一个接收点，共计28 个接收点，测线长280 m，分别记录下每个接收点的场强值。

3.3 探测结果及分析

通过对勘探数据处理分析得到整条巷道图（图9）以及断层下巷道场强衰减曲线图（图10），从整条巷道的探测结果可以发现：与数值模拟结果相比，实测信号“跳跃”位置较多，这是由于数值模拟把巷道简化为空腔，忽略了实际巷道中金属和淋水的影响，使得模拟的直达无线电波的能量衰减小于实际衰减，与实际情况差异较大。但总体上对无线电波在巷道中的传播衰减规律无较大影响。Fm2、Fm4、Fm6 三个小断层，当接收点分别位于两侧时，场强值会异常突变。这是由于在正常巷道离衰减时，除了直达电信号以外，在断层界面上发生电磁波的反射，其余没有经过反射的接收点场强值就会相对较小；同样点号在30～90(即离切眼300～900 m)的位置，总体的场强值比其他发射点对应接收点的场强值大，且基本不低于30 dB。根据透视结果预测煤层工作面有一倾斜断层，本次无线电波反射试验结果与无线电波透视结果相吻合。

图9 运输巷0.965 MHz 探测衰减曲线Fig.9 Attenuation curves of 0.965 MHz detection in roadway

图10 煤层0.965 MHz 探测结果Fig.10 0.965 MHz detection results of normal coal seam

反射无线电波的能量与断层的形态、断层和源检的相对位置关系密切相关。从断层下巷道的探测结果(图10)可以发现：在断层的影响下，曲线也会发生突变，总体呈现衰减趋势，经Fm5 反射的电磁波信号较大，因此，可以推断此断层较大且离巷道揭露段较近，在Fm7 和Fm9 两个小断层两侧，同样会有一个突变的过程。点号134 处对应的曲线有一跳点，结合煤层实际分布，可能是煤线和多个地层界面共同影响所得。与无线电波透视相比较，本次试验验证了无线电波反射在探测地质构造的可行性。