無線電坑透技術的應用局限性分析

何進亞 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是利用探測目標與周圍介質之間的電性差異來研究確定目標體位置、形態、大小及物性參數的一種物探方法[1]。該方法原理簡單，儀器輕便易操作，探測距離遠，可探測采煤工作面內隱伏地質構造以及煤層厚度變化等，在煤礦地質災害防治領域應用廣泛。

1 無線電波坑道透視技術原理

電磁波在地下煤巖層中傳播時，各種巖、礦石電性（電阻率，介電常數等）不同，低阻巖、礦石對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構造或陷落柱、侵入體等地質異常時，一方面電磁波在其界面上產生反射、折射和繞射，造成能量的消耗；另一方面，當斷層落差較大時，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，如果將透視儀的發射機和接收機分別放在采煤工作面的兩條順槽中，讓發射機發出的電磁波穿越工作面達到接收機，電磁波在穿越煤層的途徑中，當存在與煤層電性不同的地質體（如陷落柱、斷層、沖刷區等其他地質構造）時，電磁波能量就會被其部分吸收或完全屏蔽，造成信號明顯減弱，甚至接收不到，在計算機重建的圖像上形成透視異常區。變換發射機與接收機的位置，重復測得同一異常區的陰影區，這些“陰影區”交匯的地方，就是異常的具體位置，然后根據異常的強弱、形態等特征來確定其地質構造[2]。

2 解釋方法

2.1 綜合曲線法

將各接收點實測場強H值與相應的理論計算場強H0進行對比，取得的數據稱為衰減系數β，即

以接收點為橫坐標，H、H0和β為縱坐標，將同一發射點對應接收點的實測場強H、理論場強H0和衰減系數β按比例繪制成圖，就得到3條曲線，稱為綜合曲線圖[3]。

理論場強曲線在綜合曲線中是一條標準線，而理論場強的正確性又取決于吸收系數和理論場強值，它們取得越接近實際，就越能真實地反映異常。根據參數值在曲線上顯現的異常，可確定出異常體的邊界點（或中心點），將邊界點（或中心點）與對應的發射點相連，此線就表示導電體的幾何陰影范圍。根據多條連線交匯，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主要分為絕對衰減層析成像、相對衰減層析成像、平均法、中值法和評分法。這些方法都是基于場強的衰減，即介質對電磁波衰減系數的差異進行反演成像。絕對衰減層析成像和相對衰減層析成像原理相同，都是將成像區域網格化，計算各網格點的場強衰減值，然后利用ART、SIRT算法進行反演成像，便可得到吸收系數等值線圖或色譜圖。

工作面電磁波透視法采用偶極子天線發射，在介質中某點磁場強度表達式為

式中：H——介質中某點的實測場強；

H0——決定發射功率和周圍介質的初始輻射場強；

sinθ——方向性因子，一般可認為等于1。

把坑透工作面劃分成有不同吸收系數的有限個小單元，每一個小單元內可視為介質均勻。假設電磁波的第i個傳播路徑為ri，則它可以表示為有限個小單元的距離之和。

對沒有射線穿過的小單元，可視dij=0，于是公式變（3）成：

兩端取對數可得公式（5）：

若在多個發射點上對場強分別進行多重觀測，便可變形為矩陣方程：

利用SIRT算法，計算矩陣方程可以反演各像元吸收系數值，從而實現工作面成像區內吸收系統反演成像。利用反演計算結果可以繪制成像區吸收系數等值線圖和色譜圖。

3 探測實例

3.1 工作面概況

2107回采工作面所采煤層為2號煤層，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，回風順槽切眼以里140米處為一150°傾斜面，長230米；距離回風順槽切眼595、618米處分別揭露一陷落柱。

3.2 探測方法及數據采集

本次采用定點法進行探測。定點法是發射機相對固定于某順槽事先確定好的發射點位置上，接收機在相鄰順槽一定范圍內逐點沿順槽觀測場強值（如圖2）。發射點距25米，接收點距5米。每發射一個點，接收機可相應觀測11個點，本次探測完成362個測點，70個發射點。

3.3 數據處理

（1）數據傳輸編輯：運用坑透資料處理軟件，將探測數據傳輸到計算機，根據探測時所用頻率對原始數據進行編輯。

圖2 定點法發射與接收示意圖Fig.2 The sketch plot of transmitter and receiver fixed-point method

（2）工作面布置：根據實際情況進行巷道布置，工作面的膠帶巷和回風巷布置成雙線巷道，兩端布置成單線巷道，再在各個巷道上布置相應的測點，最后進行網格化以備層析成像。

（3）計算背景場強H0、正常場衰減系數β：進入CT系統，計算H0、β，然后根據實測場強與理論場強曲線分布情況對H0、β進行修改調整，除個別干擾點外，使得實測場強曲線位于理論場強曲線下方并盡可能的靠近理論場強曲線。2107工作面探測的背景場強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，然后進行層析成像處理，得出探測成果圖。

3.4 探測成果

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

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

一號異常區：距離2107工作面膠帶順槽切眼0～98米，回風順槽切眼0～90米以內范圍。能量吸收強，推測該異常為煤層較為破碎或節理發育的響應，也可能是人工導體的干擾引起的假異常區。

二號異常區：位于2107膠帶順槽25～35發射點，回風順槽525～535發射點，衰減場強到達-40db，異常程度較大，推測該范圍內煤層破碎嚴重或煤層節理發育，影響范圍大。

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

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

五號異常區：距離2107膠帶順槽603～646米，回風順槽598米處，根據巷道揭露情況，初步分析認為陷落柱或煤層破碎帶影響的異常區。

六號異常區：距離2107膠帶順槽650～670米，回風順槽617～654米以內范圍，與五號異常區相距極近，場強衰減最大達到-40db，根據巷道揭露情況，推測為陷落柱或煤層破碎帶影響的異常區。

七號異常區：距離2107膠帶順槽620米，回風順槽708米處，呈條帶狀，范圍較小，場強衰減最大達到-40db，推測為斷層或斷層破碎帶引起的異常區域。

八號異常區：距離2107膠帶順槽743～846米，回風順槽735～807米以內范圍，范圍較大，根據巷道揭露情況，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的局限性

（1）疊加效應：在同一個異常區中存在兩個或兩個以上構造時，構造之間存在相互屏蔽作用，規模較大的斷層往往掩蓋規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，地質解析只能定性地圈定為一個整體異常區域。

（2）異常區邊界確定：異常區是相對于正常區而言的，這是任何物探方法地質解析的前提。坑透進行異常解析也是基于這一原理工作。延伸較遠、落差漸變的斷層，場強曲線在穿越構造時沒有明顯的拐點，當落差＜1/2煤厚時，信號反映不明顯，異常邊界確定比較困難，此時斷層延伸位置的預測范比實際范圍??；陷落柱的邊界一般為不對稱的橢圓形，而用定點交會法圈定的邊界為多邊形，圈定的陷落柱邊界與實際情況會有一定出入；如果掘進過程中遇到規模較大近工作面走向的的斷層，會限制發射和接收的正常控制范圍，而且巷道在掘進穿過斷層時會揭露一定距離的巖巷，巖巷地段電磁場信號較弱，有時會被完全吸收成 “陰影區”，此時圈定的異常區范圍一般情況下比實際的要大。

（3）定性解析：運用坑透技術探測煤層工作面內地質構造分布情況，是依據電磁波穿越工作面內部后的衰減趨勢。電磁波穿越途中遇到斷層、陷落柱或煤層變薄帶時均可形成“陰影區”，有時斷層和陷落柱的特征比較明顯，可以準確分辨其構造性質，有時異常區特征不太明顯，如隱伏斷層近工作面走向延伸，這時只能結合礦區及工作面的已知地質資料進行地質推斷，不能準確定性分析異常的構造性質（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只能探測出一定規模的地質構造。一般情況下坑透探測技術要求為：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，在實際探測工作中一些小的斷層，如落差小于等于1/3煤厚時，就沒有明顯反映，一般情況不做地質解析，因為可靠性相對較低。

（5）數據處理：巷道布置過程中，嚴格要求接收點間距為10米，要求0號點從切眼位置開始，這些要求不能真實反映現場布置；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信噪比的限制，其電磁波“發-收”角度有限，且密度較小，不能滿足SIRT方法的觀測要求，導致層析反演結果的準確性和分辨率降低。

5 結論與展望

無線電坑透技術的發明及應用給煤礦的安全生產來了許多方便之處，節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構造的復雜程度加深，他的應用局限性也慢慢顯示出來了，例如疊加效應、異常范圍的確定、定性解釋探測精度等這些問題的出現使的應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將會在煤礦地質構造的探測應用更加廣泛。

（1）由于人工導體（電纜、水管、鐵軌等）對坑透探測的準確率影響大，因此，盡量在工作面形成后，電纜及電氣設備安裝之前進行坑透探測，或者盡可能的排除人工導體的干擾，確保數據的準確性，避免假異常的出現。

（2）2107工作面探測結果與已揭露斷層、陷落柱對應良好，但由于其破碎較為嚴重，無法界定斷層及陷落柱邊界。

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

（4）希望能對數據處理軟件進行改進，對于背景場強及正常場衰減系數的確定準確化，使得同一個“陰影區”的多個構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分。

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

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

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