基于電磁波CT三維技術(shù)探測工作面異常構(gòu)造?

徐白楊郭昌放楊 真周宏偉

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；3.山西凱嘉能源有限公司，山西省介休市，032000）

★ 煤炭科技·開拓與開采★

基于電磁波CT三維技術(shù)探測工作面異常構(gòu)造?

徐白楊1，2郭昌放1，2楊 真1，2周宏偉3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；3.山西凱嘉能源有限公司，山西省介休市，032000）

為了在工作面回采之前探明異常構(gòu)造的類型以及影響范圍，消除異常構(gòu)造給工作面回采造成的影響，利用電磁波CT三維成像技術(shù)，并通過數(shù)值模型以及平頂山天安煤業(yè)有限公司11140回采工作面的應(yīng)用，證明該方法直觀、安全、有效，可以用來指導(dǎo)煤礦工作面的安全回采。

回采工作面 異常構(gòu)造 電磁波CT 數(shù)值模型 三維成像

在煤礦工作面回采過程中，常因遇到未提前探明的異常地質(zhì)體使開采技術(shù)復(fù)雜化、開采成本增加、可開采煤炭儲量降低，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，威脅井下工作人員的生命安全。因此，如何在工作面回采之前探明異常構(gòu)造的類型和影響范圍，對煤礦的開采計劃、儲量估計、危害評價以及井下工作人員的安全等至關(guān)重要。

目前煤礦常用的探測方法是電磁波CT（坑透）和地震波CT。電磁波CT的觀測系統(tǒng)采用定點探測，即發(fā)射機(jī)固定在巷道事先標(biāo)記好的發(fā)射點位置上，接收機(jī)在工作面另一巷道一定范圍內(nèi)逐點接收，在完成一條巷道的探測后，將接收機(jī)和發(fā)射機(jī)互換，進(jìn)行同樣操作，觀測射線呈扇形分布，如圖1所示。這種方式導(dǎo)致投影數(shù)據(jù)不完備，進(jìn)而形成的投影矩陣病態(tài)且嚴(yán)重秩虧。

本文基于總變分正則化，在電磁波CT透射、層析成像等原理的基礎(chǔ)上引入三維CT成像技術(shù)，避免了傳統(tǒng)方法只依靠二維圖像分析異常構(gòu)造的弊端。三維圖像能夠立體、直觀的描述異常區(qū)的邊界，同時結(jié)合二維數(shù)據(jù)、水平投影曲線，通過綜合分析，解決由于重構(gòu)圖像清晰度低帶來的邊界模糊、異常區(qū)偏大等問題。該方法安全、有效，可以為煤礦工作面的高產(chǎn)高效回采提供技術(shù)支撐。

圖1　電磁波CT觀測系統(tǒng)示意圖

1　電磁波CT探測原理

電磁波在地下巖層中傳播時，由于巖、礦石的電性（電阻率ρ和介電常數(shù)ε）不同，它們對電磁波的吸收也不同，低阻巖層對電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用。當(dāng)波前進(jìn)方向上遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量的損耗。因此在礦井地質(zhì)條件下，如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱、含水裂隙、煤層變薄區(qū)或其它構(gòu)造時，波能量將被吸收或完全屏蔽，則在接收巷道只能收到微弱信號或收不到透射信號，形成透視異常區(qū)，即所要探測異常體的位置和范圍。

為了研究煤礦實際回采工作面的異常區(qū)分布，通常將工作面進(jìn)行離散化處理，將整個區(qū)域劃分為m×n個像素，如圖2所示。

圖2　待重構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格離散化

所有被第i條射線所穿過的網(wǎng)格對射線Li總的貢獻(xiàn)為:

式中:aij——射線Li在第j個網(wǎng)格中的吸收系數(shù)；

xj——射線Li在第j個網(wǎng)格中的截距；

F（x，y）——第i條射線穿過物體后在線陣上所獲得的投影值。

將式（1）簡寫成矩陣的形式:

式（2）中，B是實測數(shù)據(jù)，當(dāng)把探測區(qū)域通過網(wǎng)格離散后，根據(jù)射線可求得矩陣A。在實際煤礦工作面中，由于投影數(shù)據(jù)的個數(shù)遠(yuǎn)小于未知像素個數(shù)，所以式（2）只能得到近似解。

在實際求解過程，可以建立求解模型:

式中:X——待重構(gòu)的圖像像素；

f（X）——優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；

ε——用以衡量噪聲的參數(shù)。

圖像評價的標(biāo)準(zhǔn)有很多種，常用的是吉洪諾夫（Tikhonov）正則化的目標(biāo)函數(shù)，即:

式中:A——電磁波吸收系數(shù)矩陣；

x——距離矩陣；

b——實測電磁波的能量值；

λ——正則參數(shù)；

L——正則算子，與系統(tǒng)矩陣的具體形式有關(guān)。

由于煤礦工作面狹長，射線覆蓋不完備，反演結(jié)果存在一定的失真，因此在計算出滿足條件的像素后，以像素為基礎(chǔ)，改變傳統(tǒng)的二維成像，以MATLAB為基礎(chǔ)，完成水平投影曲線以及三維圖像的繪制。

通過該方法完成的圖像，清晰度高，能夠銳化異常邊界，從而解決了由于辨識度低造成的異常區(qū)域擴(kuò)大導(dǎo)致無法指導(dǎo)煤礦工作面安全回采的問題。

2　數(shù)值模型

我國大多數(shù)煤礦工作面均較為狹長，走向長度約為1000～3000 m，沿傾斜方向的寬度約為200 m。采用電磁波CT探測煤礦工作面內(nèi)部構(gòu)造的原理是當(dāng)電磁波在地下巖層中傳播時，各種煤、巖體電性不同，對電磁波的吸收也有一定的差異，因此，在沿電磁波射線方向上，電磁波能量的衰減包含著沿此射線方向上的地質(zhì)信息，因此，可以利用所接收到的電磁波能量重構(gòu)射線覆蓋范圍內(nèi)的地質(zhì)異常區(qū)。

本研究參照煤礦實際回采工作面設(shè)定了長為700 m、寬為200 m的數(shù)值模型，如圖3所示。假設(shè)該工作面內(nèi)部存在一個陷落柱以及一條隱伏斷層。射線覆蓋的方式采用一邊發(fā)射、對邊接收互換方向的煤礦工作面電磁波CT探測時觀測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)布置方式。在此觀測系統(tǒng)下，得到的系數(shù)矩陣為高度稀疏且嚴(yán)重秩虧的病態(tài)矩陣。在此基礎(chǔ)上得到二維重構(gòu)圖像如圖4所示，通過與模型中異常構(gòu)造進(jìn)行對比、分析可知，該重構(gòu)圖像中異常構(gòu)造的影響范圍被放大，邊界也比較模糊。

圖3　工作面數(shù)值模型

圖4　模型二維反演結(jié)果

由此得到的反演結(jié)果并不能滿足煤礦工作面回采的安全需求，本研究在原來二維求解得到系數(shù)矩陣基礎(chǔ)上，引入三維圖像，如圖5所示，通過三維數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的立體效果，就可以準(zhǔn)確判斷斷層影響區(qū)域的邊界，從而解決了邊界模糊的問題。

圖5　模型三維效果圖

3　地質(zhì)概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司三礦己15-11140工作面位于己組采區(qū)下部，該回采工作面北部為已經(jīng)回采結(jié)束的己15-23120工作面，南部為己組一期中部車場，西部為已經(jīng)回采的己15-11120工作面，東部為已回采的己15-11110工作面。該工作面走向長度為982～1177 m，傾斜寬度為197 m，地面標(biāo)高為+170～+220 m，工作面標(biāo)高為-300～-529 m，工作面煤層傾斜角度平均為13°。

該回采工作面開采的煤層屬于己15煤層，該煤層平均厚度為1.6 m，該采面煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，直接底板為泥巖，老底為細(xì)砂巖。煤層頂?shù)装鍘r層視電阻率值均低于己15煤層，符合無線電波透視的基本物理條件。

4　數(shù)據(jù)處理與分析

4.1煤層厚度變化分析

煤層厚度變化常是多種因素復(fù)合作用的結(jié)果，只是其中某種因素起主導(dǎo)作用。在斷層發(fā)育的地區(qū)，煤層厚度變化受斷層影響。一些逆斷層兩側(cè)可能出現(xiàn)煤層的逆掩重疊或擠壓聚集，形成煤層變厚的區(qū)域；而一些正斷層由于引張拖拽作用，可導(dǎo)致斷層附近上、下盤煤層厚度變薄。

針對11140工作面掘進(jìn)揭露的信息，提取兩巷煤層厚度數(shù)據(jù)，擬合了11140工作面的煤層厚度圖，見圖6。

通過煤層厚度擬合圖發(fā)現(xiàn)，在距切眼（0 m處）50～130 m的位置，煤層比較薄，由此可以推斷，在該位置可能會形成薄煤區(qū)，在距切眼600～630 m的位置，煤層也變的相對比較薄，總體分析，這些煤層變薄區(qū)域?qū)ぷ髅娴幕夭纱嬖谝欢ǖ挠绊憽?/p>

圖6　11140工作面煤厚擬合圖

4.2工作面兩巷揭露的斷層

11140工作面實際揭露12條斷層，其中在風(fēng)巷距切眼274 m處存在落差為0.9 m的斷層，距切眼448 m處存在落差為1.1 m的斷層，距切眼458 m處存在落差為1 m的斷層；在機(jī)巷距切眼390 m處存在落差為2 m的斷層，距切眼415 m處存在落差為1.8 m的斷層，距切眼800 m處存在落差為2 m的斷層，距切眼833 m處存在落差為1.1 m的斷層，距切眼854 m處存在落差為1.6 m的斷層。

4.3CT層析成像分析

CT層析成像技術(shù)充分利用了電磁波在傳播過程中攜帶著所傳播路徑的地質(zhì)信息，在回采開始之前重構(gòu)出工作面內(nèi)部的異常構(gòu)造。該技術(shù)彌補(bǔ)了常規(guī)場強(qiáng)對比法和綜合曲線交匯解釋方法的不足，凸顯異常區(qū)域的邊界，大大提高了資料解釋的精確度和可信度，增強(qiáng)了異常區(qū)域的拾取能力。

在數(shù)據(jù)處理前，先將工作面進(jìn)行離散化處理，將工作面劃分為邊長相同的正方形網(wǎng)格，11140工作面網(wǎng)格的劃分如圖7所示。

圖7　11140工作面觀測系統(tǒng)布置圖

利用SIRT算法，計算出每個網(wǎng)格所代表的吸收系數(shù)，從而獲得煤礦工作面的吸收系數(shù)矩陣。二維成像技術(shù)通常是將吸收系數(shù)矩陣按照相應(yīng)比例轉(zhuǎn)化為像素值，以色差或者等值線的形式變現(xiàn)出來，由于受成像技術(shù)的限制，二維圖像的像素較低，在拾取異常區(qū)邊界時，困難較大。

為了解決異常區(qū)邊界難以辨識的問題，本研究將每列吸收系數(shù)進(jìn)行疊加，用軟件MATLAB繪制出一條沿工作面走向的光滑曲線，11140工作面水平投影曲線見圖8。圖中吸收系數(shù)低的區(qū)域代表工作面內(nèi)異常構(gòu)造的分布范圍，通過水平投影曲線，可以判定異常區(qū)域沿回采方向的分布區(qū)間。

圖8　11140工作面走向水平投影曲線

水平投影曲線只能判斷沿走向的大致分布范圍，而在該區(qū)間內(nèi)異常構(gòu)造具體的分布形態(tài)以及邊界依然無法準(zhǔn)確判斷，因此，將工作面離散化后得到的系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化成不同的高度的系數(shù)矩陣，通過數(shù)值之間的差異，劃分異常區(qū)域的范圍與延伸方向。三維顯示具有形象和直觀的特點，11140工作面三維成像如圖9所示。

圖9　11140工作面CT探測成果圖

本次探測共圈定了3個異常區(qū):1號異常區(qū)位于160～210 m，根據(jù)三維探測結(jié)果，該區(qū)域呈現(xiàn)低阻的現(xiàn)象，判斷為異常區(qū)域，結(jié)合巷道在掘進(jìn)過程中揭露的地質(zhì)信息，該異常區(qū)右側(cè)存在多條落差為1 m的小斷層，參考煤層厚度擬合結(jié)果以及走向水平投影曲線，判斷該異常區(qū)域為斷層影響區(qū)，并貫穿機(jī)巷和風(fēng)巷，建議打鉆驗證，加強(qiáng)預(yù)測預(yù)報工作；2號異常區(qū)位于590～690 m，根據(jù)三維圖像重構(gòu)結(jié)果，該區(qū)域阻值較低，由于巷道掘進(jìn)過程中在該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)異常，因此參考煤層厚度變化以及走向水平投影曲線，判斷該區(qū)域可能存在隱伏構(gòu)造，建議打鉆驗證，加強(qiáng)預(yù)測預(yù)報工作；3號異常區(qū)位于770～840 m，巷道掘進(jìn)過程中該區(qū)域存在一條落差為2 m的斷層，因此初步判斷該區(qū)域是受斷層的影響，該斷層向工作面內(nèi)部延伸70 m左右，對工作面回采影響較小。

5　結(jié)論

數(shù)值模擬以及煤礦回采工作面的實際探測表明，利用電磁波CT探測工作面內(nèi)部異常構(gòu)造時，三維成像技術(shù)凸顯了異常區(qū)域的邊界，同時參照巷道掘進(jìn)過程中揭露的地質(zhì)信息以及水平投影曲線，可以準(zhǔn)確拾取異常區(qū)的影響范圍，提高判斷的精度，為礦方提供更加真實的分析結(jié)果，保障煤礦工作面安全回采。

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（責(zé)任編輯 郭東芝）

Research on abnormal structure detection in working face based on three-dimensional imaging technology of electromagnetic wave CT

Xu Baiyang1，2，Guo Changfang1，2，Yang Zhen1，2，Zhou Hongwei3
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.Shanxi Kaijia Energy Co.，Ltd.，Jiexiu，Shanxi 032000，China）

In order to ascertain the abnormal structures＇type and influencing range before stopping and eliminate the influence of abnormal structures on stopping，three-dimensional imaging technology of electromagnetic wave CT and numerical simulation method were applied in 11140 stope face in Pingdingshan Tianan Coal Industry Co.，Ltd.，which showed that this method was intuitive，safe and effective to guide safety mining of the mine stope face.

stope face，abnormal structure，electromagnetic wave CT，numerical model，three-dimensional imaging

P631

A

?國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃“薄煤層開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備”，2012AA062101），國家自然基金面上項目基金（51174193），中國礦業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新基金資助大學(xué)生創(chuàng)新項目（DC201605）

徐白楊（1991-），江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為采礦工程、礦井地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測及安全回采。