综采工作面薄煤区无线电波多频率透视精细探测

2020-08-19吴荣新沈国庆王汉卿肖玉林

煤田地质与勘探 2020年4期

吴荣新，沈国庆，王汉卿，肖玉林

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.矿山地质灾害防治与环境保护安徽普通高校重点实验室，安徽淮南 232001; 3.省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001)

煤炭精准开采的提出，需要更加完善的矿山地质保障系统,这要求地球物理探测技术在煤炭回采前能够更加准确地探查出综采工作面内的地质异常区情况[1-2]。探查工作面内地质异常常用的物探技术包括：地面三维地震[3]、槽波透视CT[4]、双巷电法[5-6]、坑透探测[7-8]等。坑透技术具有探查速度快、费用低、效果好的特点，已成为国内外煤矿工作面普遍采用的物探方法[9-10]。研究学者从坑透的电磁波传播理论[11-12]、数值模拟[13-14]、探测方法[15-16]、资料处理[17-20]等方面进行了大量研究工作，进一步推动了坑透探测技术的发展。

目前的无线电波透视，仅采用单一的工作频率探查，每个接收点仅获得一个场强值，所得到的信息量少，难以精细地反映异常区内的构造赋存情况[18]。薄煤区是工作面内常见的地质异常，特别是煤厚小于1 m 的大范围变薄区对综采工作面的回采影响很大，传统的单频率无线电波透视法难以准确地探查出大范围薄煤区内的煤厚变薄程度及其影响范围[6]，能否改进无线电波透视方法来精细探查大范围薄煤区是引人关注的问题。本文阐述了无线电波多频率透视探测的方法原理，并通过对综采工作面薄煤区试验研究，得到了薄煤区的多频探测响应特征，证实了该方法的有效性。

1 无线电波多频率透视探测方法原理

均匀介质中，电磁波从发射点A传播到接收点B，射线传播路径AB上任一点的菲涅尔带半径D都可以通过电磁波波长λ、该点到发射点的距离r0以及到接收点的距离R0来确定[20]，公式为：

由式(1)可知，电磁波传播中菲涅尔带的半径与波长λ成正比，即与电磁波的频率f成反比。射线频率越高，菲涅尔带半径越小，越接近射线条件; 射线频率越低，菲涅尔带半径越大，越能体现电磁波传播的波场特征。

介质吸收系数β的表达式[20]为：

式中：f为工作频率；σ为电导率；ε为介电常数；μ为磁导率。煤层工作面坑透采用的工作频率f≤1.5 MHz，β随f的增加而增加。

煤层对较低频率的无线电波信号能量吸收系数较小，接收的透视场强值较高，能够透视的工作面宽度较大，但是相应无线电波的波长相对较大，对应的无线电波的菲涅尔带较大，对地质异常体的分辨力较差；反之，煤层对较高频率的无线电波信号能量吸收系数较大，接收的透视场强值较低，能够透视的工作面宽度较小，但是无线电波的波长相对较小，对应的无线电波的菲涅尔带较小，无线电波接近射线传播，对地质异常体的分辨力较高。通过由低到高的多频率探测，由于煤岩层对不同频率的无线电波能量吸收系数不同、波长不同、能量传播方式不同，同一接收位置所接收的多个频率场强值将出现不同的响应特征，能够多信息反映地质异常区的赋存情况，实现对地质异常区的精细探测。

目前尚无能够一次探测得到多频率数据的无线电波透视仪，现在广泛应用的仪器中，YDT88 型无线电波透视仪采用的工作频率包括0.088、0.158、0.365 和0.965 MHz，工作频率范围较大，适合于开展多频率探测试验研究。多频率坑透探测方式与单频坑透相同，每个工作频率的数据采集发射点与接收点布置相同。通常先从最低工作频率开始探测，所有数据采集完毕后，再升高一个频率继续探测，直到能够透视的几个工作频率都探测完毕，完成多频率探测。

2 地质概况及数据采集

淮河能源集团张集矿1610A 综采工作面，工作面宽90 m，正常煤厚为5.0～7.0 m。工作面近切眼段巷道揭露大范围薄煤区(图1)，其中薄煤段1 煤厚仅0～1.0 m，薄煤段2 和3 煤厚1.0～5.0 m，薄煤段4煤厚4.0～5.0 m。工作面煤层顶板为灰色中粒砂岩，底板为灰色粉细砂岩。由于煤层顶底板岩层均为坚硬岩层，煤厚2.0 m 以下的薄煤范围对综采生产影响很大，需要对该范围薄煤区进行精细探测，及时采取相应措施。薄煤区单频率的坑透探测结果不能达到生产需要[6]，因此，采用无线电波多频率透视法进行试验探测。

图1 1610A 工作面观测系统平面Fig.1 Plane diagram of observation system in coal face

试验探测范围为近开切眼段240 m 范围，包括薄煤段和部分煤厚正常范围段巷道。为更好地探测出1 m 以下薄煤区范围，将开切眼及轨道巷设置为1 号探测巷，从开切眼G0 测点起，直到G29 测点，点间距10 m；运输巷为2 号探测巷，从Y0 测点起，到Y24 测点止，点间距10 m。发射点(图1 巷道中圆圈所示)间距50～60 m，共布置8 个发射点。任一发射点发射时，通常在对面巷道对应段接收场强值，例如轨道巷G18 点发射，在运输巷Y7—Y20 测点段接收。2019 年11 月15 日进行了现场探测试验，采用YDT88 型无线电波透视仪，工作频率依次采用0.088、0.158、0.365 和0.965 MHz，发射点及接收点布置相同。试验探测期间工作面停电，未发射信号时各频率背景场强值范围为0～20 dB，显著低于透视场强值。

3 探测结果

对采集的透视场强数据，采用ETC2.1 无线电波CT 处理系统进行数据处理。Ⅰ段为开切眼薄煤段巷道接收点范围，Ⅱ、Ⅲ段分别对应轨道巷薄煤段1、3 接收点范围，Ⅳ段对应运输巷薄煤段4 接收点范围(图1、图2)。对不同场强值，分别进行联合代数重建法(SIRT)反演处理，得到工作面探测范围吸收系数图，将其置于工作面平面图上(图1)，得到吸收系数成像解释图(图3)。

3.1 频率0.088 MHz

轨道巷接收场强值(图2a)：Ⅰ段测点接收场强变化范围为68.5～84.8 dB，由于各测点与源的距离变化大，场强值差异范围较大；Ⅱ、Ⅲ段薄煤范围接收场强变化范围为55.4～68.5 dB，比煤厚正常段相似射线路径场强值低0～10 dB；其余范围场强变化范围为59.9～75.6 dB，特别是Y13和Y18场强曲线，表现出中间高两边低的抛物线形特征，为正常煤层段的场强曲线特征[19]。运输巷接收场强值(图2b)：G8发射点位于薄煤段1范围，其对应场强值范围为52.5～65.4 dB，比煤厚正常段场强值低0～ 10 dB；G13、G18和G24场强曲线，为正常煤厚段的场强曲线特征；Ⅳ段薄煤范围接收场值未表现出明显降低。

近切眼段60 m 范围吸收系数β值为0.010～0.045 dB/m，其中薄煤段1 所在范围表现为较高β值0.035～0.045 dB/m；薄煤段2、3、4 所在范围与正常煤厚段无明显的区别(图3a)，β值为0.011～0.035 dB/m。

3.2 频率0.158 MHz

轨道巷接收场强值(图2c)：Ⅰ段测点接收场强变化范围为67.6～90.5 dB，场强值差异范围较大；Ⅱ段薄煤范围接收场强变化范围为59.5～67.6 dB，比煤厚正常段强值低5～15 dB；Ⅲ段薄煤范围接收场强变化范围为63.1～69.0 dB，比煤厚正常段场强值低 0～10 dB；其余范围场强变化范围为 62.8～77.1 dB，为正常煤层段的场强曲线特征。运输巷接收场强值(图2d)：G8 发射点其对应场强值范围为31.4～62.7 dB，除5 号测点值外比煤厚正常段相似射线路径场强值低5～15 dB；其余场强曲线变化正常。

近切眼段60 m 范围β值0～0.05 dB/m，其中薄煤段1 所在范围表现为较高β值0.04～0.05 dB/m；薄煤段2、3、4 所在范围与正常煤厚段无明显的区别(图3b)，β值0.010～0.035 dB/m。

3.3 频率0.365 MHz

轨道巷接收场强值(图2e)：Ⅰ段测点接收场强变化范围为50.0～84.1 dB，场强值差异范围很大；Ⅱ段薄煤范围接收场强变化范围为35.8～50.0 dB，比煤厚正常段场强值低15～30 dB；Ⅲ段薄煤范围接收场强变化范围为44.4～64.6 dB，比煤厚正常段场强值低 0～20 dB；其余范围场强变化范围为53.0～71.2 dB，为正常煤厚段的场强曲线特征。运输巷接收场强值(图2f)：G8 发射点其对应场强值范围为37.1～52.5 dB，比煤厚正常段场强值低10～30 dB；Ⅳ段薄煤范围接收场强变化范围为50.8～61.8 dB，比煤厚正常段场强值低0～10 dB；其余场强曲线变化正常。

图2 实测场强曲线Fig.2 Curve of measured field strength

近切眼段80 m 范围β值0～0.09 dB/m，其中薄煤段1 所在范围表现为高值0.07～0.09 dB/m，薄煤段2、3 所在范围β值多为0.04～0.07 dB/m；薄煤段4 所在范围β值多为0.035～0.055 dB/m；正常煤层段β值多为0.02～0.04 dB/m(图3c)。

3.4 频率0.965 MHz

轨道巷接收场强值(图2g)：Ⅰ段测点接收场强变化范围为58.2～87.5 dB，G0—G3 段与G3—G5 段表现出显著的斜率差异，反映薄煤段1、2 间的吸收系数存在显著差异；Ⅱ段薄煤范围接收场强变化范围为29.3～58.7 dB，比煤厚正常段场强值低5～15 dB；Ⅲ段薄煤范围接收场强变化范围为39.9～62.9 dB，比煤厚正常段场强值低0～10 dB；其余范围场强变化范围为46.8～67.5 dB，为正常煤厚段的场强曲线特征。运输巷接收场强值(图2h)：G8 发射点其对应场强值范围多为27.9～49.4 dB，比煤厚正常段场强值低10～30 dB；Ⅳ段薄煤范围接收场强变化范围为51.5～67.5 dB，比煤厚正常段场强值低0～10 dB；其余场强曲线变化正常。

近切眼段80 m 范围高β值范围表现为2 个相对独立的范围，分别对应薄煤段1(多为0.06～0.10 dB/m)和薄煤段3(多为0.05～0.08 dB/m)；薄煤段4 所在范围吸收系数值多为0.04～0.06 dB/m；正常煤层段β值多为0.03～0.05 dB/m(图3d)。

4 综合分析

4.1 薄煤区探查

由场强曲线(图2)和吸收系数成像解释(图3)，清楚反映薄煤段1、2、3 与薄煤段4 所在薄煤区范围是分开的，对应2 个薄煤异常区；其余范围探测结果表现为较正常的数值，反映无地质异常。

薄煤段4 范围场强值仅在0.965 和0.365 MHz较高频率探测结果上显示为较低的H值(图2f、图2h)和较高的β值(图3c、3d)，在0.965 MHz 结果上更为显著；该范围在其他较低频率探测结果上无明显反映。异常区的范围通常为β值增加约30%以上，以0.965 MHz 探测结果的吸收系数大于0.052 dB/m范围为基础，结合巷道揭露煤厚5 m 为异常边界圈定YC2 区(图3d 中虚线)，解释煤层变薄程度小于1/3 正常煤厚，水平方向长度为40 m，影响范围小(图3 虚线范围)，与回采揭露一致(图3 实线范围)。

薄煤段1范围场强值在4个频率探测结果上均显示为较低的H值(图2)和较高的β值(图3)；薄煤段3范围场强值仅在0.965、0.365 MHz 频率探测结果上均显示为较低的H值(图2)和较高的β值(图3)。由此可见，煤厚变薄程度高的薄煤区在较宽的频率范围上有所体现，而煤厚变薄程度低的薄煤区仅在较高频率范围上有所体现。0.365 MHz 频率探测结果上(图2e、图2f，图3c)，正常区的β值范围均值约为0.035 dB/m，取β值0.045 dB/m 为阈值圈定薄煤区范围；薄煤段1、2、3所在范围表现为一个异常区，以该异常范围为基础，同时考虑巷道揭露薄煤区范围，圈定出YC1范围(图3虚线所示范围)；薄煤段1所在范围表现为更低的场强值和更高的吸收系数值。0.965 MHz 频率探测结果上，正常区的β值范围均值约为0.04 dB/m，取β值0.052 dB/m 为阈值圈定薄煤区范围；Y3、Y8场强曲线表现出2段显著的低场强值范围(图2g)，YC1范围内存在2个相对独立的高β值范围，以煤厚2 m 为边界，YC1区细分综合考虑吸收系数成像、场强曲线图及巷道揭露煤厚，圈定1-1和1-2区(图3d 中虚线)，1-1区煤厚多为0～1 m，1-2区煤厚1.0～2.0 m，其余范围煤厚2.0～5.0 m，与回采揭露一致(图3实线范围)。此结果表明0.965 MHz 频率的无线电波菲涅尔带窄，能量近线性传播，能够识别出走向上相距10 m 的2个薄煤程度更高的异常区；其他3个较低频率的无线电波菲涅尔带较宽，不能够识别出2个相距较近的异常区。

4.2 透视场强、吸收系数与频率

选取薄煤段1(Ⅱ段)、薄煤段3(Ⅲ段)、薄煤段4(Ⅳ段)和Y18(代表煤厚正常段)分析透视场强值变化特征，场强值H取各段所有接收场强值的平均值，得到场强值与频率变化图(图4a)。总体上随频率的升高，不同的煤厚变薄程度下，H值均表现出下降的趋势；同一频率煤层越薄，H值越高。按煤厚变薄程度由高到低，不同频率的场强值变化范围：Ⅱ段为42～63 dB(差值21 dB)，Ⅲ段为50～68 dB(差值18 dB)，Ⅳ段为58～72 dB(差值14 dB)，Y18 为62～73 dB(差值11 dB)，表明煤层变薄程度越低，不同频率的透视场强差异越小。

图4 场强、吸收系数与频率变化Fig.4 Variation of field strength,absorption coefficient and frequency variation

选取1-1 区(薄煤段1)、Ⅲ区(代表薄煤段3 所在YC1 范围)、YC2 区(薄煤段4)和Y18(Y18 发射-接收扇形区，代表煤厚正常区)分析煤岩层吸收系数值变化特征，β值取各区吸收系数值的平均值，得到β值与f值变化关系图(图4b)。总体上随f升高，β值表现出上升的趋势；同一频率煤层变薄程度越低，β值越低，无线电波能量传播的距离越远。按煤厚变薄程度由高到低，不同频率的β值变化范围：1-1 区为0.03～0.08 dB/m(差值0.05 dB/m)，Ⅲ段为0.025～0.060 dB/m(差值0.035 dB/m)，Ⅳ段为0.02～0.05 dB/m(差值0.03 dB/m)，Y18 为0.020～0.035 dB/m(差值0.015 dB/m)，表明煤层变薄程度越低，不同频率的吸收系数值差异越小。