工作面內異常體無線電波CT成像效果分析

吳桂元，楊 伐

（1.中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海201208；2.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001）

目前，礦井高效生產中走向長大面寬綜采工作面布置越來越多，與其相對應，高效的回采方式要求預先查清工作面內地質構造賦存狀況，確保回采任務的順利開展。無損探測技術中地震波與電磁法兩大類方法在諸多工作面內的地質構造及異常體探查應用較為廣泛，其中CT（透視）法勘探技術成為首選。礦井工作面內透視技術主要包括彈性波類透視法（CT）、直流電法透視（CT）、音頻電透視和無線電波CT〔1－3〕等。在這些方法中，直流電法CT和地震CT現場勘查存在一定的制約因素，比如在人力、施工量、施工時間等都比較大，尤其地震CT需人工炮源，現場施工需全體人員協調，操作復雜，通常是在構造復雜區使用。基于電磁波透視原理進行勘探的無線電波CT成像技術憑借其出現較早、技術成熟、現場實施方便快捷，在礦井工作面內地質異常探查中發揮著重要作用〔4〕。但受方法技術條件所限，根據巖煤層對電磁波的吸收衰減特征進行煤層中地質異常體判斷時，其分辨能力會受到影響，特別對大走向大面寬工作面內地質構造及異常的判斷需要綜合勘探與分析。文章據已完成的工作面現場施工與探查成果資料，就工作面高度、構造特征等制約因素對電磁波CT技術勘探效果影響進行分析研究，意在尋求利用無線電波透視為煤層工作面回采超前探測提供有效的技術參數，力求提高該技術對工作面內構造及異常體探查的分辨能力。

1 無線電波CT成像技術

1.1 探查地球物理條件

由于不同賦存層位和埋藏條件及礦物組合造成巖、礦石電性參數存在差異，進而對煤巖層中傳播的電磁波具有不同的吸收量，在電磁波能量衰減上具有一定差異性。電阻率較高的煤巖層對電磁波吸收作用弱，有利于其穿透，而電阻率較低的巖、礦石對電磁波吸收屏蔽作用較強，有礙于其傳播，能量衰減明顯；電磁波在斷裂等構造所產生的界面發生折射、反射造成電磁波能量的損耗，致使接收端信號強度衰減〔5－9〕。因此，當電磁波在隱含異常體（斷層、含水區、陷落柱、空洞或其它不均勻地質體）煤巖層穿越時，異常體將吸收或完全屏蔽電磁波能量，導致接收端收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常，據此進行地質推斷和解釋，以上分析內容無線電波CT探查面內構造與異常體的地球物理學基礎〔10－13〕。

1.2 測試技術原理

根據電磁波傳播理論，空間中任意接收點P處電磁場強度為：

式中：H0為初始化磁場強度；β為介質磁場吸收系數；r為發射點到接收點的距離；f（θ）為方向因子；θ為接收點所在平面與磁偶極子軸的夾角。

在輻射條件穩定時，H0為一常數，β因子對場強值起主導作用，從公式（1）可知H為以e為底關于傳播距離γ指數函數，當β越大，H衰減越快。當θ＝90°時，即f（θ）＝sinθ＝1，發射機輻射電磁場能量最強。當θ＝0°時場強值為最小。當垂直時，則sinθ≈1，此公式可簡化為：

因此，依測試值H來作為探測解釋的根據（見圖1）。目前，國內主要有煤炭科學研究總院重慶研究院、河北煤科院和福州華虹智能科技開發有限公司開發生產的三款無線電波透視數據采集儀器，其中福州華虹公司的YCT88，其工作頻段多有0.088、0.158、0.365和0.965 MHz，透視距離可選性強。

1.3 探測解釋

圖1 工作面無線電波CT工作原理示意

對探測結果所獲取的實測場強曲線、實測場強交匯圖和電磁波吸收系數分布圖進行分析，據此為基礎作地質解釋。其中實測場強曲線圖是根據發射接收對在工作面雙巷中的位置，將實測場強值進行顯示，包括兩條不同巷道發射接收狀況的兩幅圖。由于測試系統固定，根據曲線對的實測場強值大小可以初步分析整個工作面不同位置點的電磁波吸收衰減狀況。對于實測場強交匯平面圖是根據場強分布射線交會原理，對探測區域內不同射線實測場強值的網格歸位，這樣綜合不同射線可以將探測區域內的衰減快、高吸收部分突現出來。場強平面圖中通常將高于平均場強值的區域用白色充填，這樣對高吸收區進行剔除，即把異常位置突出出來供地質構造解釋。對傳播介質的吸收系數進行反演，獲得吸收系數分布圖，根據吸收系數分布差異可確定異常區的范圍及空間延展特征。地質解釋時結合這三類圖件綜合分析，確定出工作面內主要構造異常區。

2 無線電波CT成像效果分析

作者搜集的礦區無線電波透視技術探測成果資料，無線電波透視CT成像效果良好，能夠分辨斷層構造、煤層變薄區等異常體，但對于一些復雜地質條件也存在分辨能力不足問題，值得深入討論。這里選擇淮南潘北礦1121（3）工作面探測與揭露資料進行對比分析。現場探測工作面斜長200m，平均煤厚4.4m，背景場強值約為60db。現工作面已回采完畢且順利穿過預報異常區，圖2為一段實測場強分布及其探采結果對比圖，其中虛線部分為探測解釋結果，實線部分為驗證結果范圍。

探測解釋的3個異常區均得到驗證，其中1＃異常區在巷道掘進中未揭露，為隱伏異常。探測解釋為隱伏斷層帶，局部煤層變薄，延伸長約60m，對生產影響較小。回采驗證表明：異常區外煤厚為3.7～4.1m，區內煤厚變薄為3.3～3.7m，且小斷層及裂隙帶發育。以煤厚3.7m為界線圈定實見異常范圍，發現兩者形態較吻合，但探測解釋范圍偏小；2＃異常區也為隱伏異常，探測解釋為隱伏斷層或裂隙發育區，局部煤層變薄，延伸長約100m。回采驗證表明：該異常區內煤厚變薄為1.6～3.6m，且小斷層及裂隙帶發育。以煤厚3.6m為界線圈定實見異常范圍，發現實見異常區較大，且位置上有一定偏離；3＃異常區中電磁波透過的場強值較小，局部在15db以下，其高吸收特征顯著。回采揭露，區內多處煤厚變薄為1.6～3.6m，且斷層及裂隙帶發育。以煤厚3.6m為界線圈定實見異常范圍，兩者在范圍、特征方面與探測結果較吻合。

圖2 探測解釋異常區對比分析結果

斷層走向延展長度與無線電波透視CT成像對走向和傾向斷層的分辨能力之間存在密切關系。圖3為淮南潘三礦1742（3）工作面無線電波透視探查綜合解釋結果，對于傾向斷層或近傾向斷層而言，斷層傾向延展長度與分辨效果成正相關；而對于走向斷層或近走向斷層，斷層走向延展長度與探測效果成負相關，實測場強圖中2號常呈片狀分布，為走向斷層表現，具體位置不易準確定位，當延展長度越小時，探測效果越好。因此，需對探查數據后期處理及分析技術做進一步優化，同時結合其他物探方法進行探測綜合分析，對提高走向斷層的探查與預報能力有較理想的促進效果。

圖3 走向斷層實測場強分布

3 結語

1）無線電波透視CT成像技術對礦井長透距工作面具有良好的探測適用性，其對工作面內斷層構造、煤層厚度變薄區等地質異常體具有良好的分辨力，但對于煤層薄、煤層結構復雜、走向上有重疊的異常區域其探測效果變差，實際探查時需根據不同工作面特點進行探查與分析，可取得良好的效果。

2）被測走向斷層或近走向斷層延展長度與探測效果負相關，其實測場強圖中的異常解釋區呈片狀分布，具體位置定位不理想，探查數據后期處理及分析技術需改進，同時綜合利用其他物探方法，進一步提高對走向斷層的探查與預報能力。

3）為了精細探查面內異常體賦存特性，需進一步完善無線電波透視CT成像方法，根據區域條件判定解釋標準，努力提高解釋預報精度。

〔1〕張平松，劉盛東，程學豐.礦井地質安全保障體系中的實用探測技術〔J〕.江蘇煤炭，2003（2）：10－11.

〔2〕程 剛，張平松.礦井工作面地質異常精細探查方法技術研究進展〔J〕.工程地球物理學報，2013，10（1）：99－106.

〔3〕程 剛，張平松，吳騰飛，等.礦井工作面地質條件震波CT探測模擬試驗與應用〔J〕.CT理論與應用研究，2013，22（2）：265－272.

〔4〕肖玉林.煤礦綜采工作面無線電波透視技術研究〔D〕.碩士論文 .淮南：安徽理工大學，2010：2－25.

〔5〕吳榮新，肖玉林，張平松.坑透和并行電法探查大面寬綜采工作面地質異常探討〔J〕.中國煤炭地質，2013，25（4）：63－65.

〔6〕肖玉林，吳榮新，張平松.無線電波透視快速勘探技術及其應用〔J〕.中國煤炭地質，2010，22（4）：65－68.

〔7〕李煥民.無線電波透視技術在工作面構造煤探測中的應用〔J〕.煤炭科學技術，2009，37（3）：100－102.

〔8〕王均雙，薄夫利，馬 沖.坑透CT成像技術在工作面地質構造探測中的應用〔J〕.煤炭科學技術，2008，36（10）：93－96.

〔9〕董守華，王 琦.層析成像在巷道無線電波透視法中的應用〔J〕.中國礦業大學學報，2003，32（5）：579－582.

〔10〕田王健.基于無線電磁波透視工作面煤層情況探測〔J〕.能源與節能，2014（6）：47－48.

〔11〕劉鑫明，劉樹才，姜志海，等.基于改進振幅衰減常數的無線電波透視層析成像研究〔J〕.地球物理學進展，2013，28（2）：980－985.

〔12〕劉志新，劉樹才，王東偉.坑道無線電波透視相位層析成像技術〔J〕.中國有色金屬學報，2013，23（9）：2371－2377.

〔13〕梁慶華，馬曉莉，宋 勁，等.復雜地質構造煤層坑道透視探測研究〔J〕.礦業安全與環保，2010，37（1）：15－17.