黃福泉， 李昭水， 黃 旸， 于紹波， 朱 蒙， 宋祥生， 徐 正， 張運國， 牛 鋒， 裴海倫， 蔣 偉

(1. 中國科學院紫金山天文臺,江蘇 南京 210008； 2. 江蘇康迪射電科技有限公司， 江蘇 南京 210004； 3. 山東能源棗礦集團七五煤礦， 山東 濟寧 277606)

0 引 言

2018年3月28日—4月4日，使用YST13.2礦用射電水探測儀在山東能源棗莊礦務(wù)集團七五煤礦217工作面進行了頂板水的大規(guī)?，F(xiàn)場探測，217工作面運輸巷和軌道巷長約1 800 m，設(shè)置了33個基點，每2個基點之間基線長度平均約為60 m，每個基點測150個讀數(shù)，共約5 000個測試數(shù)據(jù)。提供了基于AutoCAD的217全工作面富水區(qū)定位示意圖，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、地下水輻射強度鑒別等篩選出20個富水區(qū)體心坐標，經(jīng)進一步確認及折射修正，最后認定并給出5個富水區(qū)體心坐標和探水鉆孔的鉆孔深度、鉆孔角度及鉆孔開口位置表。七五煤礦按該表數(shù)據(jù)依次鉆孔，除一個鉆孔因靠近聯(lián)絡(luò)巷而未見水外，其余4個鉆孔均出水，水量為5.0～0.2 m3/h，探放頂板含水區(qū)的鉆孔驗證結(jié)果準確率為100%。這是射電定位法在我國煤礦工作面頂板水的物探探放水實踐工作中第一次大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，充分證明了射電定位法這一創(chuàng)新方法的有效性(李昭水等，2018；Huang et al., 2019a,b)。

1 射電探測儀器

煤礦地下水安全監(jiān)測方法和產(chǎn)品目前主要有地質(zhì)勘探、鉆孔探水(直接法)，P-S地震波構(gòu)造探測、三維地震、微震儀(震波法)，地質(zhì)雷達(反射法)，瞬態(tài)電磁探測、交直流電阻法(導電率ρ)等。其中最直接的手段是鉆孔探水，缺點是耗時費力；在煤礦地下水安全預(yù)測方面應(yīng)用較廣的方法首推瞬態(tài)電磁探測，缺點是有金屬物體時容易受到干擾。煤礦地下水安全預(yù)測和防治需要能更直接給出富水區(qū)的準確位置及豐水度的地下水測量產(chǎn)品。

結(jié)合GRS-1B隔爆型煤層瓦斯射電頻譜測向預(yù)警儀，研究開發(fā)出一種應(yīng)用射電方法于煤礦井下測水的本安型電子儀器——YST13.2礦用射電水探測儀(發(fā)射率σ法)(圖1)，通過接收不同發(fā)射率的射電輻射源的煤、巖、水3者不同的輻射功率及輻射源方位等參數(shù)，測量煤巖層中富水區(qū)的方位及含水豐度等。是一種無源探測設(shè)備，在探測地下水時，接收來自地下煤、巖和水的輻射信號，通過儀器處理后，根據(jù)儀器顯示的數(shù)值進行判斷、處理(黃福泉，2017a,b)。

圖1 YST13.2礦用射電水探測儀系統(tǒng)示意圖

判斷、處理的依據(jù)主要有：① 在地下水流速很慢甚至近于零的情況下，煤、巖、水系統(tǒng)可以被視為溫度均勻的熱力學意義上的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，此時三者不同的玻爾茲曼輻射功率完全由各自不同的發(fā)射率σ而引起；反之，若地下水有一定的流速，則水溫與周圍煤巖層的溫度并不均勻，流動的地下水與周圍煤巖層之間并非熱力學意義上的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，此時三者不同的玻爾茲曼輻射功率既與各自不同的發(fā)射率有關(guān)，也與其不同的即時溫度有關(guān)；② 煤、巖和水的4個物理參數(shù)具有明顯差別(表1)。

表1 判斷的主要條件

圖1中，儀器具有2個雙定向天線組：棒狀雙定向天線組和平板雙定向天線組，巷道測水通常使用平板雙定向天線組(含準對數(shù)周期平板定向天線和鐵氧體棒狀定向天線)；主機有2套射電輻射計系統(tǒng)：調(diào)制式射電輻射計系統(tǒng)和全功率式射電輻射計系統(tǒng)，前者與平板雙定向天線組準對數(shù)周期平板定向天線相連，后者與平板雙定向天線組鐵氧體棒狀定向天線相連；主機面板顯示器有雙顯示功能：讀數(shù)1顯示使用準對數(shù)周期平板定向天線的調(diào)制式射電輻射計測試系統(tǒng)輸出值(VM)，讀數(shù)2顯示使用鐵氧體棒狀定向天線的全功率式射電輻射計測試系統(tǒng)輸出值(VP)。

VM和VP形式上是電壓值，實際上分別表征了2套測試系統(tǒng)收到的某一方向上的玻爾茲曼射電輻射功率，但由于天線和輻射計制式不同，二者并不能等同，在約40 dB動態(tài)范圍內(nèi)VM是線性的，在約70 dB動態(tài)范圍內(nèi)VP是經(jīng)過壓縮、非線性的。此外，VM是表征準對數(shù)周期平板定向天線圓錐狀主瓣在寬頻帶(5 MHz) 內(nèi)接收到的不同頻率上的輻射功率平均值，VP是表征鐵氧體棒狀定向天線半球狀主瓣在某一段相對窄的頻帶上(≤100 kHz) 接收到的不同頻率上的輻射功率最低值，幾十次井下現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，VM對巖層的變化較敏感，VP對含水量的變化較敏感。

2 射電探測方案

2.1 研究區(qū)地質(zhì)

七五煤礦靠近微山湖，3上217工作面位于礦區(qū)東部，3上煤層之上的地層為二疊紀粒砂巖、粉砂巖和細砂巖，具有一定的透水性。工作面全長約為900 m，近南北走向，主體部分上下巷道中心之間的距離約為145 m(超過YST13.2儀最大探測距離45%)。在3上217工作面的AutoCAD圖上，軌道巷為上巷道,約為950 m;運輸巷為下巷道，約為840 m，上下巷道高差為16～18 m。上巷道有2個落差≤1.3～11.0 m的中小斷層，即F1(H=1.3 m,∠70°)、F2(H為3.2～11.0 m,∠65°)；下巷道共有4個落差≤1 m的小斷層，即F3(H=0.6 m,∠70°)、F4(H=0.3 m,∠65°)、F5(0.5 m, ∠30°)、F6(H=1 m,∠65°)。

七五煤礦3上煤層上覆5 m厚的礫砂質(zhì)泥巖，5 m之上是厚約42 m的細(厚26.6 m)、中(厚8.0 m)、粗粒(厚7.7 m)砂巖，需重視泥巖破裂后砂巖水下泄的可能，要查清3上煤層頂板的水分布情況。因此，為七五煤礦217工作面頂板水的探測制定了上下巷長基線、多基點、俯仰水平多方位的射電測水定位方法。

2.2 探測方法

根據(jù)3上217工作面AutoCAD圖，選定217工作面上巷的15、16、17、9、8、7、6、5、4、3號10個標記點共871 m作為射電測水基線(14號進入切眼、2號在停采線上棄去)，凡兩基點間距L≥60 m者皆增補L/2基點，如此上巷共17個基點：15、16、17、17′、9、9′、8、8′、7、7′、6、6′、5、5′、4、4′、3。

選定217工作面下巷的12、11、10、9、8、7、6、5、4號9個標記點共740 m作為射電測水基線(12號已進入切眼，僅取右側(cè)數(shù)據(jù)，1、2、3號在停采線之外棄去)，凡兩基點間距L≥60 m者皆增補L/2基點，如此下巷共16個基點：12、12′、11、11′、10、10′、9、9′、8、8′、7、6、5、5′、4、4′。

上述基點(上巷17個、下巷16個)應(yīng)盡量位于一條直線上，且盡可能位于巷道兩壁的中心點。平板天線組三角架中心分別與這些基點重合，天線平面垂直于巷道地平面，定義天線平面的中心法線垂直于巷道壁平面，俯仰角和水平方位角均為0°，水平方位角為左負右正，俯仰方位角為上正下負。

平板天線組三角架中心置于某個基點位置上，天線平面朝向工作面方向，從上到下依次轉(zhuǎn)過60°、45°、30°、15°、0°共5個俯仰角度，在每一個俯仰角度水平方位從左到右-70°→+70°轉(zhuǎn)動平板天線組，每隔10°取1個調(diào)制系統(tǒng)讀數(shù)VM和1個全功率系統(tǒng)讀數(shù)VP，共5組讀數(shù)5×15個VM和5×15個VP，每個基點共150個讀數(shù)，則上巷17個基點2 550個讀數(shù)，下巷16個基點2 330個讀數(shù)，共32.5組4 880個讀數(shù)。上下巷每組VM和VP讀數(shù)中各取最低的2～3個“谷值”讀數(shù)/角度，標記在相應(yīng)的5張(60°、45°、30°、15°、0°)AutoCAD圖上，其交點處±5°(視折射和偏轉(zhuǎn)校正而定，可能至±10°)即為水平富水區(qū)中心位置，上下巷共10張富水區(qū)交點圖。

由于上下巷距離約為145 m，其一半約為72 m，尚在YST13.2儀的最大探測范圍內(nèi)，因此，找出上下巷對應(yīng)基點的位置可能還需要進行上下巷輻值強度的擬合，從而進一步提高上下巷之間的中心位置，即217工作面回采中心線附近的富水區(qū)測試的可靠性(黃福泉，2018a,b)。

3 基本原理

3.1 自然穩(wěn)恒狀態(tài)

根據(jù)熱力學定律，原始煤層自然形成后，在未遭受地質(zhì)變動的年份即處于相對穩(wěn)定的地質(zhì)狀態(tài)下，經(jīng)一定時間后，其物理溫度將達到某種穩(wěn)恒狀態(tài)，即由于外部壓力或內(nèi)源性氧化導致的升溫ΔT(L)與往周邊巖層的熱輻射、熱傳導達到一個平衡狀態(tài)，總體溫度及其梯度分布也處于一個平衡狀態(tài)而具有確定值。

3.2 開采煤層溫度變化

(1)

式(1)表明，在一段較短的距離(如100 m)內(nèi)，通過連續(xù)測量煤巖層物理溫度的變化，即可監(jiān)控并判斷煤層內(nèi)部100 m內(nèi)地下水的流動、滲透以及地下水逼近輻射溫度監(jiān)測點的情況。因此，如能連續(xù)監(jiān)測開采點附近的煤巖層輻射溫度的變化(0.01～0.1 ℃)，對于監(jiān)控煤礦掘進中地下水的逼近以及預(yù)警地下水的涌出將有重要意義，這可以通過在巷道掘進迎頭鉆孔(φ60×2 000 mm)中插入棒狀雙定向天線組和使用射電輻射測溫儀來實現(xiàn)(黃福泉，2017a,b)。對于短距離內(nèi)的地質(zhì)動力學因子急劇變化的情況(如斷層)，則有

(2)

即，地質(zhì)動力學變化因子上升為主要因素(黃福泉，2018a，b; Huang et al., 2019c)。

3.3 射電輻射探測原理

射電測水儀除天線主瓣定向接收來自含水煤巖區(qū)域的射電輻射，天線后瓣和旁瓣還接收了巷道中來自地面和地下工業(yè)干擾源的射電輻射(圖2)。這些輻射對系統(tǒng)的設(shè)計很不利，對系統(tǒng)的要求也很高。

圖2 射電測水儀井下工作環(huán)境示意圖

為便于分析，暫不考慮輻射干擾，只考慮煤層、巖層和地下水的輻射。煤層、巖層和地下水都存在玻爾茲曼輻射，但發(fā)射率不同，所以玻爾茲曼輻射功率不同。根據(jù)玻爾茲曼定律(黑體輻射定律)：P=KT，任何不處于K氏溫標絕對零度的理想黑體都存在電磁輻射功率且遵循玻爾茲曼定律，煤層、巖層和地下水都屬于非理想黑體，發(fā)射率σ≠1，分別設(shè)為σC、σY、σW，當其具有非K氏溫標絕對零度的某一溫度TC、TY、TW時，存在玻爾茲曼輻射且其輻射功率分別為：煤PC=σCKTC；巖PY=σYKTY；水PW=σWKTW。

由于煤層、巖層和地下水共存于地層中，因此穩(wěn)態(tài)下煤層、巖層和地下水具有同一物理溫度TCYW，但煤的發(fā)射率σC與巖層的發(fā)射率σY、地下水的發(fā)射率σW不同，即，σC≠σY≠σW。定義σCYW為煤層、巖層和地下水共存體的發(fā)射率，則煤層、巖層和地下水共存體的玻爾茲曼輻射功率PCYW=σCYWKTCYW，這種輻射僅取決于煤、巖、水共存體物理溫度TCYW和發(fā)射率σCYW，稱之為煤巖水共存體本底輻射。

(1)若煤巖水共存體中巖層和地下水很少甚至可以忽略，而煤層為其主體成分時，則煤巖水共存體輻射變?yōu)槊簩拥妮椛洌篜CYW≈PC=σCKTC

(2)若煤巖水共存體中煤層和地下水很少以至可以忽略，巖層為其主體成分時，則煤巖水共存體輻射變?yōu)閹r層的輻射：PCYW≈PY=σYKTY

(3)若煤巖水共存體中煤層和巖層很少以至可以忽略，地下水為其主體成分時，煤巖水共存體輻射變?yōu)榈叵滤妮椛洌篜CYW≈PW=σWKTW

干燥的煤、巖和地下水的發(fā)射率σ不一樣，含水量不同的煤和巖的發(fā)射率σ也不一樣，通過探測不同區(qū)域煤層、巖層和富水區(qū)因σ不同而產(chǎn)生的玻爾茲曼輻射功率P的差異，即可探測出被測區(qū)域的煤和巖及地下水的存在、尺度、方向等。

理論上，純水無色透明，其發(fā)射率(σW≤0.1)接近于理想白體(σWH≈0)；煤是黑體，特別是純石墨的發(fā)射率(σC≥0.9)接近于理想黑體(σB≈1)；巖石通常是灰色的，其發(fā)射率介于理想白體和理想黑體之間，σY在0.3～0.6之間。因此，在同一環(huán)境溫度下，水的輻射功率要遠小于煤的輻射功率，巖的輻射功率也小于煤的輻射功率，而射電輻射計的輸出在線性段正比于接收到的輻射功率，因此，在本質(zhì)上是雙通道射電輻射計YST13.2礦用射電水探測儀的輸出設(shè)備上，大致表現(xiàn)為：輸出讀數(shù)越小的區(qū)域代表地下水，輸出讀數(shù)越大的代表煤層，輸出讀數(shù)中間值代表巖層。

需要注意的是，處于地層高壓下的地下水的行為和特征(水溫、水壓強、礦物質(zhì)含量等)不完全相同于常溫常壓下的地面水。

3.4 折射等因素修正

井下射電測水在用三角測量確定局部地下水富集區(qū)的坐標時，必須注意下列3點。

3.4.1 斯涅爾定律修正 公式如下：

n1sinθ1=n2sinθ2

(3)

式(3)中：n1≈1，為空氣電磁波折射率；θ1為入射角，θ2為出射角；n2≈1.55，為純石英(SiO2)的光學折射率，且在很廣的頻率范圍內(nèi)維持不變，可近似認為硅基巖石(石英砂巖)的電磁波折射率為1.55；剛玉(Al3O2)的光學折射率n≈1.7，在很廣的頻率范圍內(nèi)維持不變，可近似地認為鋁基巖石(非砂巖)的電磁波折射率為1.7。因此，可近似認為硅基巖石和鋁基巖石混合組成的巖層的電磁波折射率為(1.55+1.7)/2≈1.62。

3.4.2 單層金屬絲網(wǎng)的電磁屏蔽作用 公式如下：

(4)

式(4)中：f為頻率，Hz；c為金屬絲網(wǎng)距，m；a為金屬絲半徑，m。例如：網(wǎng)格為5 cm見方、粗5 mm的鐵絲網(wǎng)，其c=50 mm，a=2.5 mm，f=5 MHz，SE≈54 dB，則只要輻射電平>-75 dBm就可以接收到，考慮到長波平面波的繞射、網(wǎng)口的二次輻射以及防護金屬絲網(wǎng)鐵絲的氧化銹蝕會導致等效網(wǎng)距增大，實際能接收到的輻射電平可以達到-90 dBm。

綜上，可以利用無防護金屬絲網(wǎng)的巷道平面，沿其巷道中線設(shè)置測點，旋轉(zhuǎn)平板天線組進行含水點方位測定，計入非法平面投影修正，并計入斯涅爾定律修正，即可準確得到帶防護金屬絲網(wǎng)巷道的煤巖層內(nèi)地下水的準確三角定位結(jié)果(黃福泉，2018a,b)。

4 結(jié)果驗證及比較

4.1 上下巷射電定位法測水數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果

(1)33個基點共4 880個數(shù)據(jù)，其中全功率法數(shù)據(jù)VP和調(diào)制法數(shù)據(jù)VM約各占一半,即各為2 440個數(shù)據(jù)。按照不同基點區(qū)分調(diào)制、全功率、俯仰角、方位角，列出33個表格并作圖。

(2)在每個基點挑選VP值相對小的俯仰角及方位角列表。初選結(jié)果：上巷VP、∠α、∠β值82組，下巷VP、∠α、∠β值93組，共175組值，約占總數(shù)的7.1%。

(3)在AutoCAD圖上標出上下巷各基點的VP、∠α值(圖3)。以紅、黃、綠、藍、紫5種顏色分別表示60°、45°、30°、15°、0°這5個俯仰角(∠α)，根據(jù)初選結(jié)果，以5種顏色分別畫出某一俯仰角度下的不同方位角(∠β)的線并標識其不同的VP值，即可得出圖3；數(shù)據(jù)經(jīng)處理后圈定4個含水區(qū)域12個含水點，根據(jù)水量大小給出排位前5的鉆孔數(shù)據(jù)：鉆孔位置、鉆孔角度、鉆孔長度(40～80 m)(李昭水等，2018)(圖3、圖4)。

射電測水鉆孔驗證結(jié)果見表2，位置及鉆孔見圖5。

圖3 217工作面射電探水數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果示意圖

圖4 217工作面射電探水數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果(局部放大)示意圖(圖4為圖3的局部，即圖3中部黑色圓圈內(nèi)3上217工作面及黑色圓圈左側(cè)粗黑色箭頭至上巷之間)放大，包括6＇#、6#、7＇#共3個測試基點； 6＇#測試基點的-50°線即紅-1.625、7＇#測試基點的+40°線即紅-0.551，兩者交點-2.176即為YC4含水區(qū))

表2 射電測水鉆孔驗證結(jié)果

圖5 217工作面射電探放水4個鉆孔平面示意圖(217工作面射電定位法探測放水4個鉆孔AutoCAD圖的截圖，用藍點區(qū)標示5個含水區(qū)。其中，瞬磁法測出2個含水區(qū)YC1、YC3；射電定位法測出3個含水區(qū)YC2、YC4、YC5，相應(yīng)鉆孔為1號、4號與10號、5號，4個孔均見水)

4.2 瞬磁法與射電法比較及討論

4.2.1 方法比較 山東七五煤礦3上217工作面頂板水探測同時使用了瞬態(tài)電磁法和射電輻射定位法，并對2種探測方法的測水處理結(jié)果分別進行了鉆孔探放水驗證。結(jié)果瞬態(tài)電磁法測出3個富水區(qū)，鉆探7個孔皆未出水；射電定位法也測出3個富水區(qū)并直接給出了5個鉆孔的位置(孔位、孔深、孔角)，按該數(shù)據(jù)鉆探4個孔皆出水(3#孔因過于靠近聯(lián)絡(luò)巷而未鉆)，探測定位鉆孔準確率為100%。

4.2.2 討論 山東七五煤礦3上217工作面煤層頂板水的最大出水量小于4～5 m3/h，一般在1 m3/h以下，屬弱含水區(qū)。 瞬態(tài)電磁法在弱含水區(qū)探水敏感性及定位準確性方面均不如射電輻射法。

該工作面煤層頂板除常規(guī)鐵絲網(wǎng)和鉚桿外尚增加了“U”形鋼板支撐，鋼板寬約10 cm，間隔90～100 cm，從巷口到切眼、運輸巷和軌道巷都有“U”形鋼板支撐。對除鐵絲網(wǎng)和鉚桿外增加連續(xù)“U”形鋼板或“工”字槽鋼加固的煤層頂板水的探測而言，瞬態(tài)電磁法在抗金屬干擾方面不如射電輻射法(李昭水等，2019)。

5 結(jié) 論

山東七五煤礦3上217工作面煤層頂板水的探測，是YST13.2型礦用射電水探測儀在國內(nèi)第一次大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，給出的3個富水區(qū)4個鉆孔位置實際鉆孔全部出水，且實際鉆孔數(shù)據(jù)與計算的鉆孔數(shù)據(jù)在孔位、孔深、角度一致，證明了射電定位法測水定位的有效性和準確性。

隨著智能化射電測水儀的誕生，射電輻射測水在我國煤礦探放水方面大規(guī)?，F(xiàn)場應(yīng)用的前景廣闊。

致謝

感謝棗莊礦務(wù)集團地測部及七五煤礦的大力協(xié)調(diào)、支持和配合。曾經(jīng)在棗莊礦務(wù)集團高莊煤礦進行實驗并得到謝瑞斌的指點，在此表示感謝。