王 铮，易洪春

（1.河北冀中邯峰矿业有限公司 新三矿，河北 邯郸 056201；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037）

0 引 言

回采工作面形成过后，提前对工作面进行探测，准确预报工作面内部的地质构造情况，是保证煤矿安全生产、促进煤矿高产高效生产的必要条件。而目前广泛采用的物探方法主要包括电磁法、音频电透视法、槽波地震法和无线电波透视法。无线电波透视技术具有施工方便、探测精度高和探测成本低等优点，被国内外矿井广泛采用，并在实际探测中也取得了显著效果[1-5]。

理论方面，高校及煤炭科研院所的科研人员对无线电波透视技术进行了大量的研究工作，主要集中在电磁波传播基本理论、数值模拟、数据反演、资料解释方面。吴燕清等进行了电磁波透视收敛算子成像技术的研究[6]；刘鑫明等改进了无线电波透视技术的振幅衰减常数，提高了层析成像的反演精度[7]；董一飞等将菲涅带理论引入电磁波层析成像中，对无线电波层析正则化方法展开了系统研究[8]；岳蕾等分析了电磁波在煤层中的传播规律，并对全波形概率反演展开了研究[9]。这些研究均很好地提高了无线电波透视技术的探测能力和反演解释精度。

本文将无线电波透视技术用于工作面隐伏构造探测，取得了良好的探测效果。

1 无线电波透视技术基本原理

1.1 基本理论

在不考虑电磁散射的前提下，电磁波的传播路径可以用射线近似，此时煤层中传播的电磁波可近似用下式表示：

式中：Hp为介质中场点的实测场强，A/m；H0为发射初始场强，A/m；r 为场点与源点的距离，m；θ 为发射天线轴与观测点方向间的夹角；β 为介质吸收系数，其表达式为：

由式（2） 可知，吸收系数β 是介质（煤或岩石） 的介电常数ε、磁导率μ、电导率σ 和电磁波角频率ω 的函数。

1.2 层析成像技术

美国的科学家R.J.Lyle 等人率先把医学CT 引入地学领域，从而推动了电磁波层析成像技术在物探领域的应用和研究。

发射天线平面与发射点到观测点连线的夹角不大时，sinθ≈1，式（1） 转化为：

图1 是将一个工作面网格化剖分的示意图。

图1 层析成像网格剖分示意Fig.1 Grid subdivision of tomographic imaging

图中每个均匀的小块称为1 个像素，在此区域内有1 条射线yk穿过了吸收系数分别为βi,j的诸像素，并在这些像素上的截距分别为di,j。这样在第k 条射线路径上则有：

这里yk=1nH0-1nHk-1nrk。

式中：Hk为第次观测的实测场强值；rk为第k 条射线长度，即。

若进行多重观测，即用多个波源发射，并对每个发射源进行多点接收测量，即可得到如下矩阵方程：

对线性代数方程组（5） 求解，就可以得到工作面内吸收系数的分布。把每个像素内吸收系数的值用图（色块图、灰度图、等值线图） 表示出来，就是层析图像。图像可直观表示工作面内异常分布情况，对它可做出相应的地球物理解释。

2 数值模拟

进行理想化模型的数值模拟，分析其探测有效性和探测效果，是实际工程应用的基础。

设计含1 个陷落柱和1 条断层的地质模型。工作面长600 m，宽200 m，煤层吸收系数为0.5，左侧陷落柱长轴80 m、短轴60 m，吸收系数为0.7，右侧断层落差为5 m、在工作面内延展长度为120 m，吸收系数为0.6。断层、陷落柱中心位置位于工作面中心。依据常规的井下工作面无限电波透视的数据采集方法，设计发射点间距50 m，接收点间距10 m，每条巷道分别布置发射点13 个，接收点61 个，发射初始场强为150 dB（图2）。

图2 含异常构造的工作面地质模型Fig.2 Geological model of working face with abnormal structure

根据收发点位置关系及模型吸收系数，可以计算出各接收点的理论场强值、实测场强值和衰减系数（图3 ～图5）。

图3 电磁波穿透均匀煤层时无线电波透视综合曲线图Fig.3 Comprehensive curve of radio wave perspective with electromagnetic wave penetrating uniform coal seam

图3 所示为电磁波穿透均匀煤层时无线电波透视综合曲线图（三角线▲表示理论场强，圆点线●表示实测场强，菱形线◆表示衰减系数）。在均匀煤层中，影响透射电磁波场强值的主要因素为收发点距离，接收场强值随距离增大呈圆弧形对称分布。

当工作面中存在异常构造时，影响透射电磁波场强值的主要因素则变成穿透区域的介质对电磁波的吸收能力。从图4 可以看出，当电磁波穿透陷落柱时，电磁波场强值会有较大的衰减。整体上看，接收的电磁波场强值会以陷落柱为中心，呈倒“人”字形对称分布，当电磁波穿透到陷落柱中心时，接收电磁波场强值会达到最小，衰减系数达到最大。从图5 可以看出，当电磁波穿透断层时，在部分接收点尚未进入断层“阴影区”，电磁波接收场强值与理论值接近，衰减系数不变，为均匀煤层衰减系数；当接收点进入断层影响范围时，接收场强值会明显变小，且接收场强值与理论值变化趋势基本一致，对应介质电磁波衰减系数基本成“一”字型分布。当接收点走出断层“阴影区”后，接收场强值恢复正常，衰减系数回归均匀煤层衰减系数。

图4 电磁波穿透陷落柱时无线电波透视综合曲线图Fig.4 Comprehensive curve of radio wave perspective with electromagnetic wave penetrating collapse column

图5 电磁波穿透断层时无线电波透视综合曲线图Fig.5 Comprehensive curve of radio wave perspective with electromagnetic wave penetrating fault

根据正演计算的实测场强值，结合含隐伏异常构造模型工作面的相关参数，采用SIRT 算法对工作面进行离散图像重建，设计迭代20 次，考虑计算误差的条件下，反演出工作面煤体衰减值为0.507 0 ～0.609 6 dB，对应反演成果图如图6 所示。

图6 异常构造工作面模型反演成果图Fig.6 The inversion results of abnormal structure working face model

图6 中可见，无构造均质工作面区域内，电磁波衰减系数为0.5，相对均匀；在构造影响区中，陷落柱中心区域衰减系数为0.62 左右，断层中心区域衰减系数为0.58 左右，陷落柱的影响范围在无线电波透视成果图上呈椭圆形分布，断层则成条带状分布，几何尺度相差不大的异常构造中，陷落柱在响应程度及范围上均大于断层构造。

3 井下无线电波透视探测实例

回采工作面陷落柱或断层的存在对煤矿的安全生产带来了一定的隐患，为确保安全开采，特采用无线电波透视技术对羊东矿8269 工作面进行探测，查明工作面内的陷落柱和落差大于1/2 煤厚的断层等构造的发育情况。

3.1 地质概况

该工作面煤层为二叠系山西组2 号煤（大煤），煤厚5.22 ～5.91 m，平均厚度5.8 m，煤层稳定，整体坡度比较平缓，工作面间接顶板为山西组砂岩含水层，该含水层富水性弱，开采揭露后呈淋水、滴水状态，涌水较为稳定；工作面的地质构造相对比较简单，进风顺槽揭露正断层F65（∠67°，H=3.1 m），工作面长610 m，宽230 m。

3.2 数据采集

探测前，先对8269 工作面进行标点。溜子道标点：点号0 ～60 号，点距10 m；运料巷标点：点号500 ～560 号，点距10 m。点号都是从切眼往外依次增大。

无线电波透视仪器的工作频率直接影响到透视距离和对异常的分辨能力，选择最佳工作频率是恰当显示“透视异常”的关键。经井下探测频率条件试验，选用0.3 MHz 频率进行工作面透视工作。

此次探测采用“定点法”，发射点间距为50 m，接收点间距为10 m，每个发射点发射对应11个接收点接收，发射点24 个，接收数据254 个。具体做法为，首先从溜子道5 号点处发射电磁波，在运料巷500 ～510 号点接收场强值，然后按照由内向外的顺序逐个完成整个溜子道的发射和运料巷的接收。接着交换巷道，按照相同的方式，完成运料巷的发射和溜子道的接收（图7）。

图7 数据观测系统示意Fig.7 Data observation system

3.3 数据处理与地质解释

图8 为8269 工作面溜子道和运料巷不同发射点的接受场强综合曲线，图中横坐标X 轴为接受机所在巷道接受点号相对位置，纵坐标Y 轴为实测场强数值H（dB）。

图8 接收场强综合曲线Fig.8 Comprehensive curve of receiving field strength

从实测数据曲线可以看出，采集数据质量较高，数据值量级大，分布稳定，且对异常体有较好的反映。图8 中522 号测点附近的值呈倒“人”字形对称分布，另一巷道与之对应的15 ～25 号测点值也明显偏低，为陷落柱异常标志；40 ～50 号测点的场值比正常值偏低，为断层标志。

图9 为8269 工作面坑透实测数据经过层析成像技术处理，得到的电磁波衰减系数反演成果图。图中呈现2 处明显的异常区与接受场强综合曲线中的2 处场强低值区相对应，记为1 号异常区和2 号异常区，其异常范围及地质推论见表1。

表1 8269 工作面异常范围及地质推论Table 1 The abnormal range and geological inference of No.8269 face

图9 8269 工作面电磁波衰减系数层析成像反演成果图Fig.9 The inversion results of electromagnetic wave attenuation coefficient tomographic imaging in No.8269 Face

经打钻，断层和陷落柱得到验证。

4 结 论

（1） 介绍了电磁波在介质中的传播机理，并模拟了存在异常构造的情况下，电磁场的传播与分布情况；分析了不同构造的衰减曲线特征及层析成像特性。通过数值模拟研究，证明了无线电波透视技术对于工作面隐伏构造探测的可行性和有效性。

（2） 从探测成果图可知，无线电波透视技术在横向上（巷道走向方向） 有较强的分辨能力，异常位置能与实际位置对应准确；但在纵向上（巷道走向垂直方向），探测成果异常范围较实际情况大，形成一定的阴影区，异常范围有所扩大，这与无线电波透视技术在施工方式上缺少对纵向数据的约束相关。这就要求在进行资料处理解释时，应加强对数据曲线、反演成果图的综合分析，并结合已知地质资料，提高物探结果的准确性。

（3） 无线电波透视技术在8269 工作面探测的断层和陷落柱，得到井下实际打钻验证，说明利用无线电波透视技术探测井下隐伏地质构造是十分有效的。