基于无线电波透视技术的煤层厚度探测方法

陈亚萍 陈 刚 何海颦

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730000）

煤炭是不可再生资源，是我国工业化发展的基础，随着我国煤炭消耗的加剧[1]。煤层冲刷现象会形成厚度不均的煤层冲刷带，该冲刷带的地质特征不稳定，煤层分布复杂，很难实现高效探采，也无法保证探采的安全[2-4]。传统的煤层厚度探测方法主要使用物探法完成煤层厚度预测，但传统方法预测精度较差，存在预测衰减问题[5]。无线电波透视技术是一种根据岩石电磁吸力性质探矿的综合技术，可以通过发射和接收特殊的电磁波实现精准探测，确定煤层内的具体构造，因此本文基于无线电波透视技术设计了煤层厚度探测方法，解决煤层厚度探测精度问题，为后续的煤矿探采提供参考。

1 煤层厚度探测方法

1.1 确定煤层最佳探测频率

为了增加煤层厚度探测的准确性，首先需要结合雷达信号的特殊传播方式和传播特性确定煤层的最佳探测频率。电磁波在地下传播过程中会历经多个传播介质，因此存在多次能量反射作用，因此为了进一步判断最佳探测频率，首先可以使用斯奈尔法计算电磁波之间的折射反射关系，示意图如图1，公式如式（1）所示。

图1 电磁波折射反射示意图

公式（1）中，sinθt、sinθi分别代表入射角和反射角，n1、n2为介质折射率，结合煤层厚度探测目标可以假设无线电波始终处于垂直入射方式入射，此时的煤层介质属于非磁性介质，需要统一计算不同介质的介电常数，经过冲刷的煤层介质结构十分复杂，煤层内部的介质种类也较多，常常呈水平状态分布，为了进一步提高煤层的探测效果。本文设计的方法研究了电磁波在不同介质中的传播特征，由于实际传播分布较复杂，无法考虑全部接触性因素，因此本文主要研究了平面介质接触因素来研究介质的接触特征。

本文结合电磁波传播原理，使用FDTD 进行数值模拟，磁场在变化过程中可能受到激发作用，产生场源振动，场源振动会改变电磁的传播方式，因此可以结合麦克斯韦矢量，采用时域有限差分算法进行计算，首先，将探测区域划分成网格结构，进行时间空间离散，即可获得一个最小网格单元，利用时域有限差分算法进行空间电磁场求解计算，即可确定存在的数值色散，划分吸收边界条件，从而完成煤层最佳探测频率的确定。

1.2 基于无线电波透视技术进行煤层厚度探测模拟

本文使用了无线电波透视技术，构建了Gprmax 数值模拟软件，完成煤层厚度模拟探测。无线电波透视技术可以结合煤层对电磁波的收发特异性，探测煤层内部的异常构造，实现煤层厚度的探测，Gprmax 数值模拟软件就是根据电磁波的收发特异性设计的，在数值模拟前首先要研究电磁信号发射源，根据划分的基础探测网格确定信号频率，再进行边界吸收处理，完成数值模拟。无线电波透视技术原理图，如图2 所示。

图2 无线电波透视技术原理图

结合雷达参数，构建数值模拟空间，拟定10m×2m×12m 为数值模拟空间的基础参数，设置空间代码，确定雷达参数，设计探测深度与中心频率对应关系如表1 所示。

表1 探测对应关系

根据表1 的探测对应关系可进一步进行煤层厚度探测数值模拟。探测较厚煤层中含有较多种类介质，在数值模拟时必须构建复合地质模型，在探测过程中可能随时出现多层煤层组，为保证煤探采安全，设置煤层夹矸，建立具有丰富变量的模型来排除模型厚度探测影响因素。

在实际模拟过程中，采用正演模拟法，设置标准的矸层厚度、介电常数，使用Gprmax 数值模拟软件结合Matlab 进行数值模拟分析。数值模拟分析表明，夹矸层的层数对雷达探测深度有重要影响，可结合煤层的回波示意图观察煤层顶板状态。在夹矸总厚度不变的情况下，其对探测精度的影响较小，但对探测深度的影响较大，在实际探测时需要保证夹矸层数低于3 层。

1.3 构建煤层厚度探测修正模型

实现煤层厚度探测要构建煤层厚度探测修正模型，该修正模型可不断修正煤层探测中出现探测干扰，最大程度地提高煤层厚度探测精度。在实际煤层厚度探测时，受实际煤层介质复杂度和探测环境的影响，经常会出现波形辨别问题，导致煤层识别异常，需要及时鉴别回波，使用标准计算式计算出煤层的实际厚度，但这种计算方法受到介质传播速度影响，产生较大误差，煤层中介质多样性极高，电磁波传播速度也并非一致，在计算时不能忽略速度多变误差。

电磁波在传输过程中会生成相应的速度传输参数，该参数可能会影响实际计算结果，增加计算杂质，在使用该煤层厚度修正模型探测时可预先进行模型速度修正，进行煤层探测修正补偿来降低计算误差。

完成煤层厚度探测修正后，需要进一步检测其修正结果，可以利用Gprmax 数值模拟软件构建标准修正检测模型，其次进行修正模型比对，检测模型修正效果，检测过程中设计多个参数，包括检测介质种类，检测解释厚度，介电常数等可以使用MATLAB 对检测数据进行处理，实现探测误差解算，经过初次验证后，15 个探测分量的检测数值。结合修正检测结果可进一步进行物理验证，选取自然状态下的煤层和经过处理的煤层搭建仿真工作面，将上述探测方式进行组合，使用LTD-2600 探测仪进行探测，首先将中心频率设置为900MHz，此时的扫描速度约为512 道/秒，接下来分别设置时窗间隔，进行综合探测，实现高精度煤层厚度探测。

2 实例分析

2.1 概况及准备

为了进一步检验本文设计的煤层厚度探测方法的探测效果，本文选取了X 矿区的A 工作面进行实例分析。选取工作面长为250.64m，整体煤层较稳定，煤层变化范围不均，为保证实例分析效果，本文选取频率为100MHz 的天线进行探测，结合实例分析区域的实际情况，本文选取10 处钻孔，每个钻孔之间存在位置差，为增加实例分析准确性，本文对选取钻孔进行了介电常数校正，设每个钻孔的初始介电常数为3.5，随着煤层厚度的增加，设置的介电常数需要进行相应的调整，选取的钻孔深度分布及其介电常数值如表2 所示。

表2 钻孔参数

由表2 可知，此时的钻孔参数符合实例分析需求，在探测过程中可能会受探测同轴影响，产生单道波形，出现严重的反射回波作用，此时需要调整探测幅值，避免出现分界面回波现象。

本文选取CMOS 探测检测系统进行分析，该系统内部添加了Vivaldi 天线，可以控制电磁波传播缝隙结构来完成检测，除此之外，该系统内部还添加了供电模块和基础电路模块，为了保证该系统的射频最佳化，本文对其进行了优化，在系统内部设置了CXO 振荡器（电路图如图3），并将其频率调整至100MHz，与探测天线相拟合，数据采集接口使用SPI USB 进行组装，并通过Ethernet 接入到采集检测系统中，该采集系统内部使用了新型脉冲雷达，该雷达的分辨率较高，能实现同步检测，进行高速的数据采集，最大程度上降低探测误差。

图3 振荡器电路图

结合电磁波的传播折射现象，可以采集A 工作面煤层内部的主要传播介质，结合反射信号的传播关系，重新界定了煤层内部不同介质的相对参数。根据煤层介质参数，采集无线电波在不同介质传播时的反射信号，绘制采样信号波形图，如图4 所示。

图4 采样信号波形图

由图4 可知，此时采集的无线电波信号在不同的分界面处产生的回波灰度值存在一定的差异，随着信号入射角度的变化，回波反射的能量也在逐渐发生变化。结合雷达灰度图可以分析信号变换过程中的反射变化关系。反射信号经过介质传播后，由发射端进行重新接收，使用时间差法计算信号行程轨迹，即可得到煤层厚度的具体数值。

2.2 应用效果与讨论

在上述实验准备情况下，分别使用本文设计的基于无线电波透视技术的煤层厚度探测方法和传统的煤层厚度探测方法进行探测，将两者探测的煤层厚度数值与实际煤层厚度值进行对比，应用效果如表3 所示。

表3 应用效果

由表3 可知，本文设计的煤层厚度探测方法探测的煤层厚度与实际煤层厚度较接近，证明设计的煤层厚度探测方法的探测效果较好，具有准确性，有一定的应用价值。

3 结论

综上所述，工业化发展推动了煤矿探采技术的进步，但在实际煤矿探采过程中，受煤层冲刷作用影响存在煤层厚度探测问题，限制了探采技术的发展，传统的煤层厚度探测方法的探测敏感度较低，探测效果较差，因此本文基于无线电波透视技术设计了新的煤层厚度探测方法，进行实例分析，结果表明，设计的煤层厚度探测方法探测的厚度值与实际煤层厚度值较接近，证明设计的煤层厚度探测方法的探测效果较好，具有准确性，有一定的应用价值，可以作为后续煤层探采的参考。