何進(jìn)亞 李光明

（1.長治高原綜合勘探有限公司，山西 長治046000；2.山東公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277100）

無線電波坑道透視技術(shù)是利用探測目標(biāo)與周圍介質(zhì)之間的電性差異來研究確定目標(biāo)體位置、形態(tài)、大小及物性參數(shù)的一種物探方法[1]。該方法原理簡單，儀器輕便易操作，探測距離遠(yuǎn)，可探測采煤工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造以及煤層厚度變化等，在煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1 無線電波坑道透視技術(shù)原理

電磁波在地下煤巖層中傳播時(shí)，各種巖、礦石電性（電阻率，介電常數(shù)等）不同，低阻巖、礦石對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造或陷落柱、侵入體等地質(zhì)異常時(shí)，一方面電磁波在其界面上產(chǎn)生反射、折射和繞射，造成能量的消耗；另一方面，當(dāng)斷層落差較大時(shí)，電磁波傳播路徑將穿過一部分巖石，而巖石的電阻率比煤層的電阻率低得多，造成能量損耗；因此，如果將透視儀的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別放在采煤工作面的兩條順槽中，讓發(fā)射機(jī)發(fā)出的電磁波穿越工作面達(dá)到接收機(jī)，電磁波在穿越煤層的途徑中，當(dāng)存在與煤層電性不同的地質(zhì)體（如陷落柱、斷層、沖刷區(qū)等其他地質(zhì)構(gòu)造）時(shí)，電磁波能量就會(huì)被其部分吸收或完全屏蔽，造成信號(hào)明顯減弱，甚至接收不到，在計(jì)算機(jī)重建的圖像上形成透視異常區(qū)。變換發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的位置，重復(fù)測得同一異常區(qū)的陰影區(qū)，這些“陰影區(qū)”交匯的地方，就是異常的具體位置，然后根據(jù)異常的強(qiáng)弱、形態(tài)等特征來確定其地質(zhì)構(gòu)造[2]。

2 解釋方法

2.1 綜合曲線法

將各接收點(diǎn)實(shí)測場強(qiáng)H值與相應(yīng)的理論計(jì)算場強(qiáng)H0進(jìn)行對(duì)比，取得的數(shù)據(jù)稱為衰減系數(shù)β，即

以接收點(diǎn)為橫坐標(biāo)，H、H0和β為縱坐標(biāo)，將同一發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)接收點(diǎn)的實(shí)測場強(qiáng)H、理論場強(qiáng)H0和衰減系數(shù)β按比例繪制成圖，就得到3條曲線，稱為綜合曲線圖[3]。

理論場強(qiáng)曲線在綜合曲線中是一條標(biāo)準(zhǔn)線，而理論場強(qiáng)的正確性又取決于吸收系數(shù)和理論場強(qiáng)值，它們?nèi)〉迷浇咏鼘?shí)際，就越能真實(shí)地反映異常。根據(jù)參數(shù)值在曲線上顯現(xiàn)的異常，可確定出異常體的邊界點(diǎn)（或中心點(diǎn)），將邊界點(diǎn)（或中心點(diǎn)）與對(duì)應(yīng)的發(fā)射點(diǎn)相連，此線就表示導(dǎo)電體的幾何陰影范圍。根據(jù)多條連線交匯，就可圈定出異常體的輪廓，得到交繪平面圖（見圖1）。

圖1 無線電波透視曲線交會(huì)法解釋示意圖Fig.1 The Schematic diagram to explain Intersection method of curve of radio wave penetration

2.2 層析成像法

目前，無線電波層析成像技術(shù)主要分為絕對(duì)衰減層析成像、相對(duì)衰減層析成像、平均法、中值法和評(píng)分法。這些方法都是基于場強(qiáng)的衰減，即介質(zhì)對(duì)電磁波衰減系數(shù)的差異進(jìn)行反演成像。絕對(duì)衰減層析成像和相對(duì)衰減層析成像原理相同，都是將成像區(qū)域網(wǎng)格化，計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)的場強(qiáng)衰減值，然后利用ART、SIRT算法進(jìn)行反演成像，便可得到吸收系數(shù)等值線圖或色譜圖。

工作面電磁波透視法采用偶極子天線發(fā)射，在介質(zhì)中某點(diǎn)磁場強(qiáng)度表達(dá)式為

式中：H——介質(zhì)中某點(diǎn)的實(shí)測場強(qiáng)；

H0——決定發(fā)射功率和周圍介質(zhì)的初始輻射場強(qiáng)；

sinθ——方向性因子，一般可認(rèn)為等于1。

把坑透工作面劃分成有不同吸收系數(shù)的有限個(gè)小單元，每一個(gè)小單元內(nèi)可視為介質(zhì)均勻。假設(shè)電磁波的第i個(gè)傳播路徑為ri，則它可以表示為有限個(gè)小單元的距離之和。

對(duì)沒有射線穿過的小單元，可視dij=0，于是公式變（3）成：

兩端取對(duì)數(shù)可得公式（5）：

若在多個(gè)發(fā)射點(diǎn)上對(duì)場強(qiáng)分別進(jìn)行多重觀測，便可變形為矩陣方程：

利用SIRT算法，計(jì)算矩陣方程可以反演各像元吸收系數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)工作面成像區(qū)內(nèi)吸收系統(tǒng)反演成像。利用反演計(jì)算結(jié)果可以繪制成像區(qū)吸收系數(shù)等值線圖和色譜圖。

3 探測實(shí)例

3.1 工作面概況

2107回采工作面所采煤層為2號(hào)煤層，平均厚度為2.2m。工作面走向長度約為900米并向北偏東方向延伸。該回采工作面膠帶順槽小幅度傾斜，切眼以里500米內(nèi)煤層破碎，265米處揭露一陷落柱，750米處揭露一落差為2米的小斷層，回風(fēng)順槽切眼以里140米處為一150°傾斜面，長230米；距離回風(fēng)順槽切眼595、618米處分別揭露一陷落柱。

3.2 探測方法及數(shù)據(jù)采集

本次采用定點(diǎn)法進(jìn)行探測。定點(diǎn)法是發(fā)射機(jī)相對(duì)固定于某順槽事先確定好的發(fā)射點(diǎn)位置上，接收機(jī)在相鄰順槽一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)沿順槽觀測場強(qiáng)值（如圖2）。發(fā)射點(diǎn)距25米，接收點(diǎn)距5米。每發(fā)射一個(gè)點(diǎn)，接收機(jī)可相應(yīng)觀測11個(gè)點(diǎn)，本次探測完成362個(gè)測點(diǎn)，70個(gè)發(fā)射點(diǎn)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)傳輸編輯：運(yùn)用坑透資料處理軟件，將探測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，根據(jù)探測時(shí)所用頻率對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

圖2 定點(diǎn)法發(fā)射與接收示意圖Fig.2 The sketch plot of transmitter and receiver fixed-point method

（2）工作面布置：根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行巷道布置，工作面的膠帶巷和回風(fēng)巷布置成雙線巷道，兩端布置成單線巷道，再在各個(gè)巷道上布置相應(yīng)的測點(diǎn)，最后進(jìn)行網(wǎng)格化以備層析成像。

（3）計(jì)算背景場強(qiáng)H0、正常場衰減系數(shù)β：進(jìn)入CT系統(tǒng)，計(jì)算H0、β，然后根據(jù)實(shí)測場強(qiáng)與理論場強(qiáng)曲線分布情況對(duì)H0、β進(jìn)行修改調(diào)整，除個(gè)別干擾點(diǎn)外，使得實(shí)測場強(qiáng)曲線位于理論場強(qiáng)曲線下方并盡可能的靠近理論場強(qiáng)曲線。2107工作面探測的背景場強(qiáng)H0為125～155dB/m，β 為-0.25～-0.4。

（4）綜合曲線及探測成果圖：由選定H0、β得出綜合曲線圖，然后進(jìn)行層析成像處理，得出探測成果圖。

3.4 探測成果

根據(jù)整體場強(qiáng)衰減情況，計(jì)算處理中把場強(qiáng)衰減異常取為-15db，初步圈定八處探測異常區(qū)（如圖 3），分別編號(hào)為 1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。

圖3 探測成果圖Fig.3 Results figure of detection

一號(hào)異常區(qū)：距離2107工作面膠帶順槽切眼0～98米，回風(fēng)順槽切眼0～90米以內(nèi)范圍。能量吸收強(qiáng)，推測該異常為煤層較為破碎或節(jié)理發(fā)育的響應(yīng)，也可能是人工導(dǎo)體的干擾引起的假異常區(qū)。

二號(hào)異常區(qū)：位于2107膠帶順槽25～35發(fā)射點(diǎn)，回風(fēng)順槽525～535發(fā)射點(diǎn)，衰減場強(qiáng)到達(dá)-40db，異常程度較大，推測該范圍內(nèi)煤層破碎嚴(yán)重或煤層節(jié)理發(fā)育，影響范圍大。

三號(hào)異常區(qū)：距離2107膠帶順槽203～298米，回風(fēng)順槽211～284以內(nèi)范圍，場強(qiáng)衰減在-20db～-50db，能量吸收強(qiáng)，影響范圍大，推測為該范圍大面積異常是煤層破碎，節(jié)理發(fā)育及該陷落柱向里延伸的表現(xiàn)，由于煤層破碎影響無法判斷陷落柱的大小及影響范圍。

四號(hào)異常區(qū)：距離2107膠帶順槽318～444米，回風(fēng)順槽307～431米以內(nèi)范圍，該異常區(qū)能量吸收極強(qiáng)，影響范圍大，場強(qiáng)衰減異常呈條帶狀分布，根據(jù)場強(qiáng)的衰減強(qiáng)度和綜合曲線的變化情況推測該區(qū)域存在一隱伏斷層，但由于該區(qū)域煤層破碎嚴(yán)重，無法判斷出隱伏斷層的走向及延伸情況。

五號(hào)異常區(qū)：距離2107膠帶順槽603～646米，回風(fēng)順槽598米處，根據(jù)巷道揭露情況，初步分析認(rèn)為陷落柱或煤層破碎帶影響的異常區(qū)。

六號(hào)異常區(qū)：距離2107膠帶順槽650～670米，回風(fēng)順槽617～654米以內(nèi)范圍，與五號(hào)異常區(qū)相距極近，場強(qiáng)衰減最大達(dá)到-40db，根據(jù)巷道揭露情況，推測為陷落柱或煤層破碎帶影響的異常區(qū)。

七號(hào)異常區(qū)：距離2107膠帶順槽620米，回風(fēng)順槽708米處，呈條帶狀，范圍較小，場強(qiáng)衰減最大達(dá)到-40db，推測為斷層或斷層破碎帶引起的異常區(qū)域。

八號(hào)異常區(qū)：距離2107膠帶順槽743～846米，回風(fēng)順槽735～807米以內(nèi)范圍，范圍較大，根據(jù)巷道揭露情況，此范圍的膠帶順槽揭露一落差為2米的小斷層，由于該斷層的落差大于1/2煤厚，影響范圍較大，難以推斷斷層尖滅位置。

4 無線電波坑道透視技術(shù)的局限性

（1）疊加效應(yīng)：在同一個(gè)異常區(qū)中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)造時(shí)，構(gòu)造之間存在相互屏蔽作用，規(guī)模較大的斷層往往掩蓋規(guī)模較小的斷層或斷層和陷落柱之間相互掩蓋，無法一一定量確定。因此，地質(zhì)解析只能定性地圈定為一個(gè)整體異常區(qū)域。

（2）異常區(qū)邊界確定：異常區(qū)是相對(duì)于正常區(qū)而言的，這是任何物探方法地質(zhì)解析的前提。坑透進(jìn)行異常解析也是基于這一原理工作。延伸較遠(yuǎn)、落差漸變的斷層，場強(qiáng)曲線在穿越構(gòu)造時(shí)沒有明顯的拐點(diǎn)，當(dāng)落差＜1/2煤厚時(shí)，信號(hào)反映不明顯，異常邊界確定比較困難，此時(shí)斷層延伸位置的預(yù)測范比實(shí)際范圍?。幌萋渲倪吔缫话銥椴粚?duì)稱的橢圓形，而用定點(diǎn)交會(huì)法圈定的邊界為多邊形，圈定的陷落柱邊界與實(shí)際情況會(huì)有一定出入；如果掘進(jìn)過程中遇到規(guī)模較大近工作面走向的的斷層，會(huì)限制發(fā)射和接收的正?？刂品秶?，而且巷道在掘進(jìn)穿過斷層時(shí)會(huì)揭露一定距離的巖巷，巖巷地段電磁場信號(hào)較弱，有時(shí)會(huì)被完全吸收成 “陰影區(qū)”，此時(shí)圈定的異常區(qū)范圍一般情況下比實(shí)際的要大。

（3）定性解析：運(yùn)用坑透技術(shù)探測煤層工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造分布情況，是依據(jù)電磁波穿越工作面內(nèi)部后的衰減趨勢。電磁波穿越途中遇到斷層、陷落柱或煤層變薄帶時(shí)均可形成“陰影區(qū)”，有時(shí)斷層和陷落柱的特征比較明顯，可以準(zhǔn)確分辨其構(gòu)造性質(zhì)，有時(shí)異常區(qū)特征不太明顯，如隱伏斷層近工作面走向延伸，這時(shí)只能結(jié)合礦區(qū)及工作面的已知地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)推斷，不能準(zhǔn)確定性分析異常的構(gòu)造性質(zhì)（斷層、陷落柱還是煤層變薄帶）。

（4）探測精度：無線電波坑道透視技術(shù)只能探測出一定規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造。一般情況下坑透探測技術(shù)要求為：斷層落差大于1/2正常煤厚；陷落柱直徑大于10米；煤層變薄帶煤厚小于1/2正常煤厚。所以，在實(shí)際探測工作中一些小的斷層，如落差小于等于1/3煤厚時(shí)，就沒有明顯反映，一般情況不做地質(zhì)解析，因?yàn)榭煽啃韵鄬?duì)較低。

（5）數(shù)據(jù)處理：巷道布置過程中，嚴(yán)格要求接收點(diǎn)間距為10米，要求0號(hào)點(diǎn)從切眼位置開始，這些要求不能真實(shí)反映現(xiàn)場布置；SIRT層析方法要求足夠角度的觀測范圍和密度，但受礦井觀測方式及信號(hào)信噪比的限制，其電磁波“發(fā)-收”角度有限，且密度較小，不能滿足SIRT方法的觀測要求，導(dǎo)致層析反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和分辨率降低。

5 結(jié)論與展望

無線電坑透技術(shù)的發(fā)明及應(yīng)用給煤礦的安全生產(chǎn)來了許多方便之處，節(jié)省了大量的人力物力，但是隨著煤礦開采程度的加深及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度加深，他的應(yīng)用局限性也慢慢顯示出來了，例如疊加效應(yīng)、異常范圍的確定、定性解釋探測精度等這些問題的出現(xiàn)使的應(yīng)用效果沒有充分顯示出來，因此解決這些缺陷的無線電坑透技術(shù)將會(huì)在煤礦地質(zhì)構(gòu)造的探測應(yīng)用更加廣泛。

（1）由于人工導(dǎo)體（電纜、水管、鐵軌等）對(duì)坑透探測的準(zhǔn)確率影響大，因此，盡量在工作面形成后，電纜及電氣設(shè)備安裝之前進(jìn)行坑透探測，或者盡可能的排除人工導(dǎo)體的干擾，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免假異常的出現(xiàn)。

（2）2107工作面探測結(jié)果與已揭露斷層、陷落柱對(duì)應(yīng)良好，但由于其破碎較為嚴(yán)重，無法界定斷層及陷落柱邊界。

（3）無線電波坑道透視技術(shù)存在一定的局限性，對(duì)于煤層破碎帶、變薄區(qū)或煤層的起伏與斷層無法正確的定性分析，無法區(qū)分同一“陰影區(qū)”的多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造；但作為煤礦工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造探測最常用的方法，無線電波坑道透視技術(shù)仍是可行而有效的參考，為煤炭資源的安全開采，提供了必要的地質(zhì)資料。

（4）希望能對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于背景場強(qiáng)及正常場衰減系數(shù)的確定準(zhǔn)確化，使得同一個(gè)“陰影區(qū)”的多個(gè)構(gòu)造在層析成像過程中能多次疊加顯示，在最終成果圖上有所區(qū)分。

［1］郭芳，李培根，齊順.基于測線分類的無線坑透初始場強(qiáng)求取探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(12)：97-99,104.

［2］蘇園鵬.淮南礦區(qū)無線電波坑透曲線特征與地質(zhì)異常相關(guān)性研究[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2013，6.

［3］肖玉林.煤礦綜采工作面無線電波透視技術(shù)研究[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2010，6.