回采工作面斷層構造無線電波反射測量方法研究

顧煥琪 ，吳榮新 ,2，沈國慶 ，胡澤安 ,2

(1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001；2.礦山地質災害防治與環境保護安徽普通高校重點實驗室，安徽 淮南 232001)

在新一輪的礦產資源總體規劃期和展望期 (2020?2030 年)中，由于我國煤炭資源豐富、少氣、貧油的能源結構特點，仍決定了煤炭在能源消費結構中的主體地位，在未來的經濟發展中發揮著重要的作用[1-2]。近幾年煤礦機械化和綜合機械化在全國已逐步普及，“有人巡視，無人值守”的智能化精準開采成為我國煤炭工業的發展主流[3]。煤炭精準開采的提出要求礦井地質工作更標準化、精細化、透明化，而我國煤層的賦存條件復雜，煤炭開采難度較大[4-5]。工作面內隱伏構造發育、煤層傾角大幅度變化、煤層變薄區等復雜地質條件也會造成瓦斯突出、水害等一系列的煤礦地質災害的發生，對生命健康及財產安全產生巨大的危害。查明工作面內斷層等地質異常體，礦井工作面地質條件透明化，是煤炭智能化精準開采的重要基礎。目前地震勘探法、直流電阻率法、無線電波透視等方法廣泛應用于工作面地質異常探查，但對于一些落差小于1/3 煤厚的斷層，探測精度亟需提高。

國內外諸多學者針對無線電波透視技術對其傳播理論、成像算法、觀測應用等方面進行了大量的研究和改進。在傳播理論方面：在層狀地電模型和單一介質模型中，煤層頂底板電性變化和煤層厚度會對相位造成影響[6-7]。通過COMSOL 建模發現礦井井下巷道尺寸和收發位置對井下巷道無線電波傳播也有顯著影響[8-9]。在成像算法方面：用預選的強制諧振方式的煤層波導進行無線電波成像研究是有一定局限性的[10]。在煤層波導模型中，電磁波在煤層中傳播過程中相位產生滯后現象，應用ANSYS 進行正演，驗證了相位層析成像的可行性[11-12]；而利用改進的振幅衰減常數也大大提高了探測精度[13]。此外，初始場強的確定對無線電波的成像精度有一定的影響，由初始場強值、吸收系數值和背景場強值可以有效確定工作面透視寬度值[14-15]。在應用方面用多頻率無線電波探測大范圍的薄煤區其效果良好[16]。

由隱伏構造引發的礦井突水問題嚴重威脅著礦井安全。常用來探測斷層等地質構造的物探手段有槽波地震，三維地震，直流電法，無線電波透視。高密度全數字三維地震勘探技術，經過二次處理后，提高了地震資料的信噪比和分辨率，在識別小斷層、查找陷落柱、刻畫灰巖地層裂隙等方面效果顯著[17]。并且利用槽波相對透射系數層析成像方法也可清晰地反演出高度小于1/3 煤厚的巷道的位置及形態[18]。

無線電波透視探測作為非接觸式高頻電磁波勘探技術，憑借其儀器輕便、探測人員少、數據采集快和探測效果顯著等優點，成為探查工作面異常地質構造的常規和必備手段[19]。但仍存在無線電波傳播研究薄弱，無線電波信號在煤層中的能量衰減較快，大寬度煤層工作面透射無線電波探測面臨制約等問題?；诖?，本文提出煤層工作面無線電波反射探測方法，研究電磁波經異常體反射后的電磁波信號變化，為探測地質異常構造提供一種新思路，提高探測精度。

1 反射無線電波勘探原理

1.1 煤層中無線電波傳播原理

電磁波在含煤地層進行垂直和平行傳播，垂直層理介質不均勻，水平層理介質近似均勻，其強度、相位大小直接與巖礦石的電阻率ρ、介電常數ε和磁導率μ等電磁參數有關。不同的電磁參數，對電磁波能量吸收不同，低阻巖層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所出現的界面時，電磁波將在界面上產生反射和折射作用，造成一定的能量損耗。

采煤工作面巷道布置在同一煤層中，無線電波發射和接收均在同一煤層中，介質均勻。設輻射源中點O為原點，煤層中發射點P到接收點的直線距離為r，煤層中電磁波在任意點強度表示為：

式中：Hm為任一點實測場強；H0為發射介質初始場強，μV；β為介質吸收系數，dB/m ；θ為發射天線軸與觀測點方向間的夾角，(°)。由式(1)可見，場強Hm大小隨r、β變化，射線路徑中介質β值是場強變化的關鍵：

由式(2)可知，在一定頻率下，β是電導率σ、介電常數ε、磁導率μ、工作頻率f的函數，角速度w=2πf。頂底板與煤層的導磁率差異很小，但介電常數變化較大，在電波射線路徑出現斷層、陷落柱、剝蝕帶，β與Hm值會發生明顯變化。

1.2 反射無線電波勘探原理

傳統無線電波透視的接收機和發射機位于雙巷中，發射機在工作面一側巷道發射電磁波，接收機在另一側巷道接收經過煤層透射過來的電波。但是這種方式對于大面寬的工作面以及單巷道的煤層來說無法準確有效地探測出地質異常區的賦存情況。采用無線電波反射方法探查地質異常區，可以僅需單巷道進行探測，獲取探測區地質異常的深度及范圍，操作簡單，提高探測分辨率，原理如圖1 所示。

圖1 回采無線電波反射勘探Fig.1 Radio wave reflection exploration in mining face

高頻電磁波的傳播路線可以用直射線近似，而無線電磁波的頻率段屬于高頻電磁波，所以基于直射線的無線電波傳播理論同樣適用于反射[20]。

當發射的無線電波在巷道周圍未遇到地質異常區，則無反射無線電波到達該接收點；接收點測量的場值為發射源通過巷道空腔及巷道表面傳播的無線電波直達能量，該接收點的理論場強值B0為：

式中：X0為發射點和該接收點間的間距；A為無線電發射機發出的無線電波場強值；β2為無線電波在鉆孔空腔及鉆孔液傳播的能量衰減系數。

若該接收點的實測場強值BP=B0，則說明該接收點接收的反射無線電波未遇到地質異常區。若任一接收點的實測場強值BP≠B0，則說明該接收點接收的反射無線電波遇到地質異常區。此時該接收點的理論場強值BP：

當反射系數和X0不變時，設β為0，β2為0.01，X0為60 m，當在遠端時，理論場強值對實際接收場強影響不大，可忽略不計，得到地質異常區距離發射點所處巷道的深度DP與實測場強的關系圖，如圖2 所示。由圖2 可知，隨著DP的增大，實測場強逐漸減小。根據理論分析，當發射點與接收點距離以及地質異常區距巷道深度過大時，反射系數對實測場強值的影響不大。

圖2 地質異常區的反射無線電波理論場強曲線Fig.2 Theoretical field intensity curve of reflected radio waves in geological anomaly area

2 二維數值模擬實驗

2.1 GprMax 模擬理論基礎

Maxwell 方程組描述電磁場各屬性參數之間的相互關系，在宏觀上，所有的電磁現象都可利用Maxwell 方程組進行描述。時域差分算法直接求解依賴于時間變量的Maxwell 旋度方程組，在一定尺度的時空間隔上對邊界電磁場數據抽樣，直接模擬電磁波的時域作用過程。

式中：Hx、Hy、Ez分別為x、y方向磁場和z方向電場；μ為相對磁導率，H/m；σe為電導率，S/m；σm為等效磁導率，W/m。

GprMax 是Giannopoulos 推出的一種基于時域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)算法和理想匹配層(Perfectly Matched Layer，PML) 邊界吸收條件的電磁波二維、三維數值模擬軟件[21-22]。該軟件可以模擬電磁波在不同相對介電常數介質及異常體模型中的波場分布，得到地下各地層及異常體的電磁波響應信號。

2.2 水平煤層同巷模擬

為了全面認識同巷內無線電波的傳播規律和波場特征，構建二維含煤地層電性模型，分析研究反射無線電波在煤層中的傳播衰減特征。非磁性常規介質的典型電性參數見表1。

表1 模型介質參數Table 1 Model medium parameters

模擬區域250 m×100 m，模型巷道自由空間厚10 m，煤巖混合物沿著中間巷道上下對稱。模擬網格步長為Δx=Δy=0.5 m，模擬時窗tw=30 μs。在巷道中發射一個頻率為1 MHz，振幅為105的連續正弦波。發射源初始位置為(50 m，50 m)，設置30 個間距為5 m的接收點(55～200 m)，數值模型（模型1）如圖3 所示。

圖3 正常煤層數值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model of normal coal seam

基于二維模型，得到電場和磁場兩分量的數值模擬信號。取接收位置75 m 處電場分量和磁場分量模擬信號如圖4 所示。

圖4 正常煤層模型75 m 處信號Fig.4 Signals at 75 m of normal coal seam model

數值模擬結果整體呈正弦信號的特征，對每個接收點的Hx分量正弦信號進行傅里葉變換，選取變換結果中頻率為1 MHz 所對應的振幅A，并根據下式計算得到每個接收信號的場強值如圖5 所示。

圖5 無線電波Hx 分量能量衰減曲線Fig.5 Energy attenuation curve of Hx component of radio wave

由場強值隨距離變化曲線可以看出，Hx分量信號的場強值隨著電磁波的傳播呈現衰減趨勢，由此可以證明，無線電波在煤層中傳播時的能量衰減在源檢距5～100 m 范圍內，符合近似線性衰減規律。在150 m之后由于能量過小，計算誤差的存在導致數據信噪比降低。但總體而言，無線電波在煤層巷道中Hx分量信號的場強值衰減與傳播距離呈現近似線性關系。該規律為無線電波反射奠定了理論基礎。

2.3 斷層異常同巷模擬

構建含有斷層煤層的二維模型，模擬尺寸250 m×100 m，模型巷道自由空間厚10 m，介質材料同水平煤層模型相同(表1)。模擬網格步長為Δx=Δy=0.5 m，模擬時窗tw=30 μs，在100 m 處設置距離巷道5、10、15、20、25、30 m 等不同距離的斷層。在巷道50m 處發射一個頻率為1 MHz，振幅為105的連續正弦波。接收點間距為5 m(55～200 m)，含斷層數值模型（模型2）如圖6 所示。

圖6 含斷層煤層數值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model of coal seam with fault

由于無線電波信號的波長較大(百米級)，在時間域內難以進行直達波和反射波的區分，但在合適的源檢距情況下，存在反射波疊加的信號強度強于無反射波的信號?；跀鄬佣S數值模型，可以得到100 m處相應的兩分量電磁波數值模擬信號如圖7 所示，對數值模擬結果中不同位置斷層的Hx分量信號進行分析，計算出不同位置斷層Hx分量的場強值如圖8 所示。與無斷層煤層相比，含有斷層的Hx分量場強值在斷層附近處會發生數值突變，場強值先增大再隨之減小；并且隨著斷層距巷道距離的增大，反射能量隨之減小，當斷層距巷道25 m 以后，場強值突變不明顯。

圖7 含斷層煤層模型100 m 處信號Fig.7 Signals of fault location coal seam model at 100 m

圖8 不同位置斷層無線電波Hx 分量能量衰減曲線Fig.8 Energy attenuation curves of Hx component of fault radio wave at different positions

通過數值模擬得到的能量衰減曲線圖與理論上的場強圖(圖2)進行對比發現：當斷層與巷道的距離增大時，反射波的能量會減小。模擬結果大致與理論相符，驗證了本次模擬的有效性。

3 工程實例

3.1 工作面概況

某礦1231(1)工作面走向長1 550～1 580 m，傾斜長213 m，煤層結構簡單，開采煤層為11-3 煤，煤厚0.4～3.0 m，平均1.7 m，黑色塊狀，內生裂隙發育，瀝青光澤，以暗煤為主，含亮煤，屬半亮型煤。煤層賦存較穩定，總體上呈單斜狀，北高南低，煤(巖)層產狀180°～215°∠5°～35°，平均傾角24°。工作面煤層直接頂為砂質泥巖，基本頂為細砂巖，直接底為砂質泥巖。該面在掘進過程中共發現斷層12 條，其中落差≥3 m的有2 條(表2)。

表2 落差≥3 m 斷層產狀Table 2 Fault occurrence with fall ≥ 3 m

3.2 工作方法

本次探測選用YDT88 礦用無線電波透視儀。根據工作面揭露的地質構造以及探測長度面寬等因素，采用0.965 MHz 進行整條巷道的無線電波反射探測。為確保儀器的穿透距離和探測精度，在軌道巷、運輸巷各布置9 個發射點，運輸巷發射點布置在離切眼30 m的位置上，每隔10 m 設置一個接收點，發射點不動，依次在預設好的接收點上接收，每個發射點對應18 個接收點，因此，每條測線180 m，分別記錄下每個接收點的場強值。

為了研究斷層下無線電波反射的衰減特性，在軌順離切眼1 080～1 360 m 斷層發育較好的地段，設置一個發射點位于1 080 m 處，每隔10 m 一個接收點，共計28 個接收點，測線長280 m，分別記錄下每個接收點的場強值。

3.3 探測結果及分析

通過對勘探數據處理分析得到整條巷道圖（圖9）以及斷層下巷道場強衰減曲線圖（圖10），從整條巷道的探測結果可以發現：與數值模擬結果相比，實測信號“跳躍”位置較多，這是由于數值模擬把巷道簡化為空腔，忽略了實際巷道中金屬和淋水的影響，使得模擬的直達無線電波的能量衰減小于實際衰減，與實際情況差異較大。但總體上對無線電波在巷道中的傳播衰減規律無較大影響。Fm2、Fm4、Fm6 三個小斷層，當接收點分別位于兩側時，場強值會異常突變。這是由于在正常巷道離衰減時，除了直達電信號以外，在斷層界面上發生電磁波的反射，其余沒有經過反射的接收點場強值就會相對較?。煌瑯狱c號在30～90(即離切眼300～900 m)的位置，總體的場強值比其他發射點對應接收點的場強值大，且基本不低于30 dB。根據透視結果預測煤層工作面有一傾斜斷層，本次無線電波反射試驗結果與無線電波透視結果相吻合。

圖9 運輸巷0.965 MHz 探測衰減曲線Fig.9 Attenuation curves of 0.965 MHz detection in roadway

圖10 煤層0.965 MHz 探測結果Fig.10 0.965 MHz detection results of normal coal seam

反射無線電波的能量與斷層的形態、斷層和源檢的相對位置關系密切相關。從斷層下巷道的探測結果(圖10)可以發現：在斷層的影響下，曲線也會發生突變，總體呈現衰減趨勢，經Fm5 反射的電磁波信號較大，因此，可以推斷此斷層較大且離巷道揭露段較近，在Fm7 和Fm9 兩個小斷層兩側，同樣會有一個突變的過程。點號134 處對應的曲線有一跳點，結合煤層實際分布，可能是煤線和多個地層界面共同影響所得。與無線電波透視相比較，本次試驗驗證了無線電波反射在探測地質構造的可行性。

4 結論

a.針對目前煤層工作面無線電波透視存在的問題，本文提出了反射無線電波勘探方法。基于理論分析，對比正常煤層和含斷層煤層的理論電磁波場，得到斷層深度與反射無線電波場值的變化規律。

b.通過數值模擬、井下實測試驗驗證了無線電波反射探測斷層的可行性，為利用無線電波法探測煤層工作面異常構造提供一個全新的思路方法。但對于其探測的精度需要做進一步的研究。

c.本文的數值模擬沒有考慮實際巷道中金屬和淋水對無線電波傳播規律的影響。下一步將進行具有金屬支護和鐵軌等影響因素下，煤巷直達無線電波的傳播規律研究，已期模擬結果更加符合實際。