基于電磁波層析成像技術的隱伏構造區邊界判定

屈小兵，鮑俊睿

（1.山西潞安礦業集團東盛煤業有限公司，山西 長治 046000；2.山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司 李村煤礦，山西 長治 046000）

在礦井實際生產過程中，由于回采工作面受地質構造及采動變化等各種因素制約，時常因前方隱伏構造探測不明，導致水害、瓦斯、頂板等各種災害威脅加重，降低回采效率，危及人身安全[1]。然而，將高頻電磁波傳播特性為基礎的層析成像技術應用于礦井預測預報工作，對于陷落柱、火成巖入侵區、斷層延伸破碎帶等多種隱伏地質構造的精密探測有著重要的應用價值[2-4]。

近年來，大量學者結合礦井實際問題以及各種干擾因素，對電磁波透視技術展開了大量研究，主要集中在以下幾個方面：電磁波CT 成像技術以及抗干擾的相對層析成像技術，此技術清楚地反應了斷層的組合及交叉切割的相對關系[5-6]；頻域內質心頻移技術，此技術能夠重建并恢復具有衰減特性的空間分布，但要求電磁波信號的頻帶應足夠寬，以便可以應用于各種頻率，這種技術不會受到任何因素的干擾，并且重建之后的圖像比起場強法更為精準可靠[7]；射機功率、發射頻率穩定性以及接收機靈敏度、信噪比等各項性能的優化改善，使電磁波信號更加穩定，地層透視效果更加精準，滿足了不同介電常數、不同電阻率、不同規模、不同類型的多層地質構造的探測需求[8]。

以電磁波層析成像技術為手段對1303 工作面前方隱伏構造進行探測，能夠精準確定工作面前方多種隱伏構造的類型及影響范圍，為工作面過隱伏構造的方案設計提供可靠的理論依據，提高回采期間的作業安全。

1 工程概況

1303 工作面位于李村煤礦井田北部，工作面走向E18°S，工作面北部為設計1305 工作面，南部1302 工作面，西部為一采區大巷，東部為井田邊界。工作面開采煤層厚5～5.3 m，平均厚度5.1 m。該工作面總體地勢西南高東北低，總體呈一向東北傾的單斜構造，傾角 3°～9°，工作面東部坡度較大，西部較緩。工作面掘進時揭露斷層FJ25（H=2 m ∠39°）、FJ27（H=1.8 m ∠75°）、FJ17（H=2.5 ∠51°）；在1303 進風巷距離切眼320～360 m 處有1 處向斜。

當工作面推進至切眼大約280 m 時，92#～123#架間頂板發生大面積冒頂現象，且掉落塊巖成分皆以堅硬砂巖為主，塊度大，硬度高，礦用破碎機無法破碎，現已對運轉設備及作業人員的人身安全造成嚴重威脅。為遏制破碎頂板的大面積垮落，進一步探明工作面前方煤壁中的其他隱伏構造，特此采用無線電波對工作面前方區域進行坑道透視，以提高工作面回采期間的安全作業管理。

2 電磁波透視方法的確定

2.1 電磁波透視原理

無線電波坑透法是基于電磁波的發射、反射、折射及繞射原理，通過不連續介質中的介質體電性不同，以電磁波能量吸收量作為評判標準，從而得出不連續構造帶的巖性成分及構造邊界線。采用無線電波進行坑道透視時，電磁波按照規定路徑傳播，當傳播介質發生變化后，傳播路徑會發生折射與繞射現象，通過對比能量的損耗與接收情況，能夠精準地判斷出電磁波傳播路徑發生偏移的界限點[9]。當電磁波由低阻巖層穿過高阻巖層或由高阻巖層穿過低阻巖層時，電磁波同樣會發生能量的損耗，且低阻巖層對電磁波的吸收作用效果較好，通過電磁波信號的接受強弱，可以判斷出電磁波異常傳遞區的范圍以及傳播介質發生變化后的構造帶類型[10]。

2.2 發射點的布置

本次1303 工作面構造帶采用定點法探測，這種方法不易出現差錯，且速度快、效率高，易于操作。采用定點法時，首先針對探測區域的巷道處選取合理的發射點，并按照發射間距將發射機固定于相應的發射點處，在相對應的巷道內按照接受間距布置接收機，觀測并記錄每個發射點對應接受范圍內的場強值。選取發射點距50 m，接收點距10 m，每個發射點所對應接受點數量為11～20 個，發射點與接受點對應布置情況如圖1。

圖1 無線電波坑道透視定點法布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of radio wave tunnel perspective fixed point method

由于地下巖層構造復雜，電磁波在地層中傳播時同時會受到工作面巷道的反射波、漫反射波，頂底板圍巖波以及煤層不均勻性影響等諸多二次場的干涉影響，導致實際得到的場強值為一次場與多組二次場的綜合值，異常傳遞區所表現出的陰影效果變得模糊，從而影響構造邊界的判定。因為，為改善電磁波異常傳遞區的判定效果，電磁波工作頻率的合理選取至關重要，若頻率過高，則電磁波會受高阻巖層吸收作用較大，電磁波有可能無法穿過地質異常區，若頻率較低，則由于存在一次繞射作用，導致一定范圍內的地質構造異常區被掩蓋，通用無法得到準確的地質異常區范圍。根據1303 工作面的實際情況及現場測試，本次探測工作選取頻率為0.3 MHz的電磁波進行井下數據采集。

3 無線電波坑透法探測分析

3.1 無線電波坑透方案

本次坑道透視選取探測儀器為WKT-E 本質安全型礦用防爆無線電波坑道透視儀，該套設備包含發射機、接收機、發射天線、接收天線以及地面充電器等多組配件，測量場強值由井下采集之后，可傳輸至計算機進行分析處理。

本次工作面無線電波探測工作以1303 工作面進風巷與1302 工作面輔助回風巷為探測巷，兩巷各布置探測長度1 150 m，其中1303 進風巷布置發射點22 個，接收點242 個，1302 輔助回風巷布置發射點22 個，接收點242 個，共布置電磁波發射點44個，每個發射點對應場強接收點11 處，共計場強實測點484 個。

1302 輔助回風巷：開口處為615#測點，向切眼方向每隔10 m 順序遞減，測點號為615#、610#、605#、…、至500#測點為止。

1303 進風巷：開口處為115#測點，向切眼方向每隔 10 m 順序遞減，測點號為 115#、110#、105#、…、至 0#測點止。

按照李村煤礦1303 工作面的地質特征，設計發射點間距為50 m，均勻布置于兩巷道。每個發射點按照接受范圍在對應巷道中布置實測點11 處，1303工作面無線電波定點法測點布置圖如圖2。

圖2 1303 工作面無線電波定點法測點布置圖Fig.2 1303 working surface radio wave fixed point method measuring point layout

本次探測范圍內背景場基本在5 dB 以下，實測場強值總體上在20～60 dB 之間，實測場強遠大于背景場，說明本次采集數據質量合格，但巷道電纜、開關以及屬器件對原始數據的采集和資料解釋存在有一定影響。

3.2 探測數據處理與分析

3.2.1 無線電波透視 CT 成像圖

將實際測得的場強值輸入透視系統專用軟件進行處理分析，得到的1303 工作面無線電波透視CT成像圖如圖3。通過分析CT 成像圖中的場強衰減情況，將小于-5 dB 劃為異常，由此可得到4 處探測異常區，其中第1 處異常區距離開口較近，位于592#～607#測點之間，該異范圍較大，異常反應在595#發射點處相對較強；第2 處異常區位于25#～40#測點之間，綜合礦井地質資料及現場探查情況分析，推測為1303 進風巷揭露斷層FJ25向工作面延伸的反映，但不排除該范圍內存在其他隱伏構造的可能；第3處異常區位于513#～521#測點之間，異常范圍相對較小，根據巷道掘進過程中揭露情況分析，推測可能為揭露斷層FJ17向工作面內延伸的反映。第四處異常區位于切眼處，在0#～10#測點之間，根據現場勘查情況分析，該異常區為工作面回采塌陷區。因第4處異常區為工作面回采塌陷區，不屬于工作面前方未探明隱伏構造，因此不作分析。

圖3 1303 工作面無線電波透視CT 成像圖Fig.3 1303 working face radio wave perspective CT imaging

3.2.2 主要異常區的綜合曲線圖

在分析場強綜合曲線圖時，若出現實測場強變化曲線與對應的理論場強變化曲線差異較大，則表明此范圍內的場強衰減比例較大，電磁波能量吸收較強，也就是存在著地質構造異常區。對實測場強值數據進行整理分析，繪制的3 處隱伏構造探測異常區的場強值綜合曲線圖如圖4～圖6。

圖4 第1 處構造異常異常區實測場強綜合曲線圖Fig.4 The first comprehensive anomaly area

圖5 第2 處構造異常異常區實測場強綜合曲線圖Fig.5 The second comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves

圖6 第3 處構造異常異常區實測場強綜合曲線圖Fig.6 The third comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves

1）發射點 90#～105#、590#～605#發射點對應的綜合曲線如圖4，場強與理論場強值均存在一定差值，而595#、95#、100#發射點對應的綜合曲線圖，實測場強值與理論值差異相對較大，反映出來的異常相對明顯，衰減系數達到-20，說明該范圍內存在一定地質異常，綜合巷道成巷時的揭露情況可推測此區域可能屬于煤層破碎帶或層間斷層。

2）發射點 525#～540#、25#～40#發射點的綜合曲線如圖5。實測場強與理論場強存在一定差值，其中530#、535#、30#、35#發射點處的實測場強與理論場強差值較大，場強曲線呈鋸齒狀分布，推測該范圍內存在地質異常，結合李村煤礦礦井地質探測資料與工作面揭露狀況可以得到，此區域可能為FJ25斷層帶的延伸反應。

3）發射點 510#～520#、10#～20#發射點的綜合曲線如圖6。實測場強與理論場強存在一定差值，但實測場強與理論場強值相差較小，綜合1306 備用工作面地質資料，推斷此區域可能為FJ17斷層的延伸反應。

3.3 探測結果

本次1303 工作面無線電波探測報告，經數據傳輸、編輯、巷道繪制、測點布置、CT 多重計算、參數校驗等多個步驟，最終得到無線電波坑透綜合曲線圖及CT 掃描成果圖。

根據分析本次坑透試驗的實測場強曲線值變化特征與吸收系數CT 成像圖，為擴大地質異常區的探測范圍，將分貝小于-5 dB 的區域劃定為地質構造異常區。本次坑透探測共發現地質異常區3 處，可將其編號為 YC1、YC2、YC3。

1）YC1異常。異常區距進風巷開口161～353 m，輔助回風巷161～353 m，沿工作面走向影響范圍約為193 m，異常范圍相對較大，推測該異常可能為煤層破碎帶或層間斷層的反映，對工作面的回采影響相對較大。

2）YC2異常。異常區距進風巷開口847～960 m，輔助回風巷873～980 m，沿工作面走向影響范圍分別為134 m，推測可能為FJ25斷層向工作面內延伸的反映，但不排除存在其他隱伏構造的可能。對工作面的回采影響相對較大。

3）YC3異常。異常區距輔助回風巷1 024～1 105 m，沿工作面走向影響范圍約為81 m，推測可能為FJ17斷層向工作面內延伸的反映，若為FJ17斷層向工作面內延伸，延伸距離可能為76 m 左右，對工作面的回采有一定影響。

4 結 論

1）通過電磁波衰減層析成像原理對1303 工作面進行探測，共完成測點484 個，發射點44 個；共發現無線電波透視異常區3 處，分別為煤層破碎帶或層間斷層的反映（YC1）、FJ25斷層向工作面內延伸的反映（YC2）、FJ17斷層向工作面內延伸的反映（YC3）。

2）結合工作面現推進位置，揭示了工作面92#～123#架間頂板發生大面積冒頂的根本原因是FJ17斷層向工作面內延伸的反映。

3）確定了3 組透視異常區所存在的隱伏構造類型及影響范圍，為李村煤礦1303 工作的安全回采提供了可靠的理論依據。