衛(wèi) 景 華

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

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無線電波透視法在煤礦工作面構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

衛(wèi) 景 華

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

結(jié)合工程實(shí)例，介紹了無線電波透視法的基本原理、工作方法，選取了合適的儀器裝置以及頻率，利用場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比法及CT成像法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，研究表明，應(yīng)用無線電波透視法對(duì)煤礦井下工作面進(jìn)行構(gòu)造探測(cè)是一種較為理想的方法。

無線電波透視法，構(gòu)造，水文地質(zhì)，煤炭，頻率

0 引言

當(dāng)今，煤炭作為全球性的支柱能源，安全生產(chǎn)則成為煤礦開采的重要內(nèi)容，對(duì)工作面內(nèi)構(gòu)造的探查是其中一項(xiàng)必要內(nèi)容，那么對(duì)相應(yīng)的勘探技術(shù)也提出了更高的要求[1-3]。尤其是，一直以來構(gòu)造導(dǎo)水造成的井下安全事故屢有發(fā)生，因此，探查礦井工作面內(nèi)構(gòu)造的手段得到了快速的發(fā)展，無線電波透視法(又稱“坑透”)便應(yīng)運(yùn)而生[4-7]。

1 基本原理及工作流程

1.1 無線電波透視法

在井下半空間中，電磁波穿過地層進(jìn)行傳播時(shí)，如果煤層中出現(xiàn)斷層、陷落柱等構(gòu)造時(shí)，由于電磁波傳播介質(zhì)的不連續(xù)性，電磁波被部分吸收或被完全屏蔽，進(jìn)而發(fā)生反射或折射現(xiàn)象，表現(xiàn)為接收機(jī)在對(duì)巷接收到微弱信號(hào)或無法接收到透射信號(hào)，產(chǎn)生能量的耗損，即形成通常的透視異常[8]。

1.2 工作流程

井下無線電波透視法通常在工作面的兩巷進(jìn)行，比如將發(fā)射點(diǎn)布置在回風(fēng)巷，沿煤層向?qū)ο锇l(fā)射固定頻率的電磁波，在運(yùn)輸巷布置的接收點(diǎn)位接收透視電磁波信號(hào)，一般工作前有條件盡量將兩巷內(nèi)金屬器具、設(shè)備清理，以降低干擾。

常見的定點(diǎn)法是指發(fā)射點(diǎn)位相對(duì)固定于某巷的固定點(diǎn)位處，接收機(jī)在對(duì)巷逐點(diǎn)觀測(cè)，完成一站后重復(fù)進(jìn)行下一次觀測(cè)。通常發(fā)射點(diǎn)點(diǎn)距為50 m，接收點(diǎn)點(diǎn)距為10 m。每站一次發(fā)射，對(duì)巷接收機(jī)可完成11個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)。

基本工作流程：

1)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)前，應(yīng)首先做好設(shè)計(jì)，主要設(shè)置好發(fā)射、接收的時(shí)間序列，以表格形式列出，發(fā)射和接收人員均嚴(yán)格執(zhí)行；

2)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，發(fā)射線框平面應(yīng)垂直于所在巷道，保持正方形，創(chuàng)造穩(wěn)定發(fā)射場(chǎng)；

3)接收線框平面同樣垂直于所在巷道，始終保持觀測(cè)最大值。

2 儀器裝置和頻率選取

2.1 儀器裝置簡(jiǎn)介

本次井下現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作應(yīng)用儀器為YDT88型礦用無線電波坑道透視儀，該儀器由福州華虹公司聯(lián)合部分高校院所，采用了先進(jìn)的數(shù)字通信模塊，可進(jìn)行高速采集、同時(shí)具有嵌入式系統(tǒng)等開發(fā)形成的最新代坑透儀。該產(chǎn)品具有高效靈活、智能輕便、穿透距大、抗干擾能力強(qiáng)、超強(qiáng)續(xù)航等優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品主要有“單發(fā)雙收”“單發(fā)單收”等數(shù)據(jù)采集模式，很大程度上縮短工作時(shí)間并提高了勘探精度。

2.2 頻率設(shè)定

透視異常的形成，除了發(fā)射場(chǎng)的信號(hào)吸收所致，還受到很多其他干擾因素。如感應(yīng)場(chǎng)的干擾、煤層(或其他巖層)的起伏變化形成的各向異性、直達(dá)波、其他界面的反射場(chǎng)以及漫反射波，或是煤層頂?shù)装鍘r層反射折射波等。因此接收到的信號(hào)通常是多種波的疊加值。最終弱化了異常陰影，很大程度影響了對(duì)異常位置的判斷，所以，確定最佳工作頻率尤為重要[9]。頻率選取太高，即使對(duì)高阻巖層也并不能完全穿透，極可能真正異常區(qū)無法形成異常陰影，而圍巖卻表現(xiàn)為異常；那么頻率選取太低，則一次繞射作用使得要真正地質(zhì)異常很大程度可能被覆蓋。因而，為了獲得較高分辨率的異常區(qū)，應(yīng)當(dāng)選取合理的工作頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。通常根據(jù)產(chǎn)品特性及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)選500 kHz作為常用工作頻率。

3 數(shù)據(jù)處理與資料解釋

3.1 場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比法

一般以繪圖的方式來描述沿巷道在工作面透射區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律[10]。

綜合曲線圖：將每一發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)接收點(diǎn)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值H、理論場(chǎng)強(qiáng)值H0值以及衰減系數(shù)值η以相應(yīng)的比例尺生成曲線剖面圖。橫坐標(biāo)為兩巷接收點(diǎn)實(shí)際位置。

交會(huì)平面圖：在工作面的采掘工程平面圖上，標(biāo)示各發(fā)射點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)位置。根據(jù)綜合曲線確定異常邊界點(diǎn)，將該點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的發(fā)射點(diǎn)連線，然后由不同發(fā)射點(diǎn)及相應(yīng)的接收點(diǎn)確定出邊界射線，各射線所形成的范圍便是異常對(duì)應(yīng)平面位置[11]，如圖1所示。

3.2 CT成像法

工作面內(nèi)無線電磁波透視法其發(fā)射模型為偶極子，介質(zhì)中某一點(diǎn)的磁場(chǎng)可表示為：

其中,H0為取決于儀器發(fā)射功率和天線周邊介質(zhì)的場(chǎng)強(qiáng)初始值；β為電磁波傳播介質(zhì)對(duì)波能量的吸收系數(shù)；r為接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)的直線距離；sinθ為方向性因子，通?？山迫≈?。

等號(hào)兩邊分別取對(duì)數(shù)：

在不同發(fā)射點(diǎn)上對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分別進(jìn)行疊加觀測(cè)，即形成矩陣方程：

[X][D]=[Y]。

采用SIRT計(jì)算公式(SimultaneousIterativeReconstructionTechniques，同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù))，通過計(jì)算矩陣方程可以反演各單元吸收系數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)成像區(qū)吸收系統(tǒng)成像。通過反演計(jì)算結(jié)果繪制探測(cè)區(qū)吸收系數(shù)等值線色譜圖[12](見圖2)。

4 工程實(shí)例

本次無線電波透視法探測(cè)某礦的長(zhǎng)度450m、寬度約80m工作面，在回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽分別進(jìn)行發(fā)射和接收，發(fā)射點(diǎn)間距為25m、接收點(diǎn)間距5m，在回風(fēng)順槽則共布設(shè)18個(gè)發(fā)射點(diǎn)，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)在運(yùn)輸順槽相應(yīng)接收11個(gè)場(chǎng)強(qiáng)值；單巷完成數(shù)據(jù)采集后，在運(yùn)輸順槽以同樣方式布設(shè)18個(gè)發(fā)射點(diǎn)，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)相應(yīng)在主運(yùn)巷接收11個(gè)場(chǎng)強(qiáng)值?，F(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖3所示。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，形成場(chǎng)強(qiáng)曲線圖如圖4所示。

由圖4可以看出兩巷的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值基本在55dB～64dB變化，10號(hào)接收點(diǎn)(對(duì)應(yīng)50m)前場(chǎng)強(qiáng)值波動(dòng)較大，推測(cè)受聯(lián)絡(luò)巷及皮帶機(jī)頭影響；45號(hào)～50號(hào)接收點(diǎn)(對(duì)應(yīng)225m～250m)處場(chǎng)強(qiáng)值較低，推測(cè)可能為裂隙發(fā)育異常；80號(hào)～88號(hào)接收點(diǎn)(對(duì)應(yīng)400m～440m)處場(chǎng)強(qiáng)值較低，推測(cè)為斷層及影響帶異常。

對(duì)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行處理，分別形成實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)圖和反演吸收系數(shù)圖，如圖5,圖6所示。

由圖5，圖6可以看出，在220m～250m段異常明顯，推斷為該位置裂隙發(fā)育；而330m～350m段異常僅在場(chǎng)強(qiáng)分布圖中有表現(xiàn)，異常較弱，推斷為該位置裂隙發(fā)育；400m～440m段附近異常位置兩種方法基本重合，推測(cè)該位置為斷層及影響帶異常。

5 結(jié)語

通過本次采用無線電波透視法對(duì)工作面進(jìn)行探測(cè)，推斷出工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育位置，為后續(xù)安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)，且與后期揭露推斷異常位置基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法是一種行之有效且較為理想的勘探方法。

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Application of radio wave penetration method for structure exploration in mineral areas

Wei Jinghua

(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrogy, Taiyuan 030006, China)

Combining with the engineering example, this paper introduced the basic principle, work method of radio wave penetration method, selected appropriate instrumentation and frequency, using the intensity contrast method and CT imaging method for data process, the research showed that the application of radio wave penetration method for structure exploration of coal working surface was a more ideal method.

radio wave penetration method, structure, hydrology geology, coal, frequency

1009-6825(2017)16-0089-03

2017-03-22

衛(wèi)景華(1984- )，男，助理工程師

P631

A