基于無線電波透視技術的煤層厚度探測方法

陳亞萍 陳 剛 何海顰

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730000）

煤炭是不可再生資源，是我國工業化發展的基礎，隨著我國煤炭消耗的加劇[1]。煤層沖刷現象會形成厚度不均的煤層沖刷帶，該沖刷帶的地質特征不穩定，煤層分布復雜，很難實現高效探采，也無法保證探采的安全[2-4]。傳統的煤層厚度探測方法主要使用物探法完成煤層厚度預測，但傳統方法預測精度較差，存在預測衰減問題[5]。無線電波透視技術是一種根據巖石電磁吸力性質探礦的綜合技術，可以通過發射和接收特殊的電磁波實現精準探測，確定煤層內的具體構造，因此本文基于無線電波透視技術設計了煤層厚度探測方法，解決煤層厚度探測精度問題，為后續的煤礦探采提供參考。

1 煤層厚度探測方法

1.1 確定煤層最佳探測頻率

為了增加煤層厚度探測的準確性，首先需要結合雷達信號的特殊傳播方式和傳播特性確定煤層的最佳探測頻率。電磁波在地下傳播過程中會歷經多個傳播介質，因此存在多次能量反射作用，因此為了進一步判斷最佳探測頻率，首先可以使用斯奈爾法計算電磁波之間的折射反射關系，示意圖如圖1，公式如式（1）所示。

圖1 電磁波折射反射示意圖

公式（1）中，sinθt、sinθi分別代表入射角和反射角，n1、n2為介質折射率，結合煤層厚度探測目標可以假設無線電波始終處于垂直入射方式入射，此時的煤層介質屬于非磁性介質，需要統一計算不同介質的介電常數，經過沖刷的煤層介質結構十分復雜，煤層內部的介質種類也較多，常常呈水平狀態分布，為了進一步提高煤層的探測效果。本文設計的方法研究了電磁波在不同介質中的傳播特征，由于實際傳播分布較復雜，無法考慮全部接觸性因素，因此本文主要研究了平面介質接觸因素來研究介質的接觸特征。

本文結合電磁波傳播原理，使用FDTD 進行數值模擬，磁場在變化過程中可能受到激發作用，產生場源振動，場源振動會改變電磁的傳播方式，因此可以結合麥克斯韋矢量，采用時域有限差分算法進行計算，首先，將探測區域劃分成網格結構，進行時間空間離散，即可獲得一個最小網格單元，利用時域有限差分算法進行空間電磁場求解計算，即可確定存在的數值色散，劃分吸收邊界條件，從而完成煤層最佳探測頻率的確定。

1.2 基于無線電波透視技術進行煤層厚度探測模擬

本文使用了無線電波透視技術，構建了Gprmax 數值模擬軟件，完成煤層厚度模擬探測。無線電波透視技術可以結合煤層對電磁波的收發特異性，探測煤層內部的異常構造，實現煤層厚度的探測，Gprmax 數值模擬軟件就是根據電磁波的收發特異性設計的，在數值模擬前首先要研究電磁信號發射源，根據劃分的基礎探測網格確定信號頻率，再進行邊界吸收處理，完成數值模擬。無線電波透視技術原理圖，如圖2 所示。

圖2 無線電波透視技術原理圖

結合雷達參數，構建數值模擬空間，擬定10m×2m×12m 為數值模擬空間的基礎參數，設置空間代碼，確定雷達參數，設計探測深度與中心頻率對應關系如表1 所示。

表1 探測對應關系

根據表1 的探測對應關系可進一步進行煤層厚度探測數值模擬。探測較厚煤層中含有較多種類介質，在數值模擬時必須構建復合地質模型，在探測過程中可能隨時出現多層煤層組，為保證煤探采安全，設置煤層夾矸，建立具有豐富變量的模型來排除模型厚度探測影響因素。

在實際模擬過程中，采用正演模擬法，設置標準的矸層厚度、介電常數，使用Gprmax 數值模擬軟件結合Matlab 進行數值模擬分析。數值模擬分析表明，夾矸層的層數對雷達探測深度有重要影響，可結合煤層的回波示意圖觀察煤層頂板狀態。在夾矸總厚度不變的情況下，其對探測精度的影響較小，但對探測深度的影響較大，在實際探測時需要保證夾矸層數低于3 層。

1.3 構建煤層厚度探測修正模型

實現煤層厚度探測要構建煤層厚度探測修正模型，該修正模型可不斷修正煤層探測中出現探測干擾，最大程度地提高煤層厚度探測精度。在實際煤層厚度探測時，受實際煤層介質復雜度和探測環境的影響，經常會出現波形辨別問題，導致煤層識別異常，需要及時鑒別回波，使用標準計算式計算出煤層的實際厚度，但這種計算方法受到介質傳播速度影響，產生較大誤差，煤層中介質多樣性極高，電磁波傳播速度也并非一致，在計算時不能忽略速度多變誤差。

電磁波在傳輸過程中會生成相應的速度傳輸參數，該參數可能會影響實際計算結果，增加計算雜質，在使用該煤層厚度修正模型探測時可預先進行模型速度修正，進行煤層探測修正補償來降低計算誤差。

完成煤層厚度探測修正后，需要進一步檢測其修正結果，可以利用Gprmax 數值模擬軟件構建標準修正檢測模型，其次進行修正模型比對，檢測模型修正效果，檢測過程中設計多個參數，包括檢測介質種類，檢測解釋厚度，介電常數等可以使用MATLAB 對檢測數據進行處理，實現探測誤差解算，經過初次驗證后，15 個探測分量的檢測數值。結合修正檢測結果可進一步進行物理驗證，選取自然狀態下的煤層和經過處理的煤層搭建仿真工作面，將上述探測方式進行組合，使用LTD-2600 探測儀進行探測，首先將中心頻率設置為900MHz，此時的掃描速度約為512 道/秒，接下來分別設置時窗間隔，進行綜合探測，實現高精度煤層厚度探測。

2 實例分析

2.1 概況及準備

為了進一步檢驗本文設計的煤層厚度探測方法的探測效果，本文選取了X 礦區的A 工作面進行實例分析。選取工作面長為250.64m，整體煤層較穩定，煤層變化范圍不均，為保證實例分析效果，本文選取頻率為100MHz 的天線進行探測，結合實例分析區域的實際情況，本文選取10 處鉆孔，每個鉆孔之間存在位置差，為增加實例分析準確性，本文對選取鉆孔進行了介電常數校正，設每個鉆孔的初始介電常數為3.5，隨著煤層厚度的增加，設置的介電常數需要進行相應的調整，選取的鉆孔深度分布及其介電常數值如表2 所示。

表2 鉆孔參數

由表2 可知，此時的鉆孔參數符合實例分析需求，在探測過程中可能會受探測同軸影響，產生單道波形，出現嚴重的反射回波作用，此時需要調整探測幅值，避免出現分界面回波現象。

本文選取CMOS 探測檢測系統進行分析，該系統內部添加了Vivaldi 天線，可以控制電磁波傳播縫隙結構來完成檢測，除此之外，該系統內部還添加了供電模塊和基礎電路模塊，為了保證該系統的射頻最佳化，本文對其進行了優化，在系統內部設置了CXO 振蕩器（電路圖如圖3），并將其頻率調整至100MHz，與探測天線相擬合，數據采集接口使用SPI USB 進行組裝，并通過Ethernet 接入到采集檢測系統中，該采集系統內部使用了新型脈沖雷達，該雷達的分辨率較高，能實現同步檢測，進行高速的數據采集，最大程度上降低探測誤差。

圖3 振蕩器電路圖

結合電磁波的傳播折射現象，可以采集A 工作面煤層內部的主要傳播介質，結合反射信號的傳播關系，重新界定了煤層內部不同介質的相對參數。根據煤層介質參數，采集無線電波在不同介質傳播時的反射信號，繪制采樣信號波形圖，如圖4 所示。

圖4 采樣信號波形圖

由圖4 可知，此時采集的無線電波信號在不同的分界面處產生的回波灰度值存在一定的差異，隨著信號入射角度的變化，回波反射的能量也在逐漸發生變化。結合雷達灰度圖可以分析信號變換過程中的反射變化關系。反射信號經過介質傳播后，由發射端進行重新接收，使用時間差法計算信號行程軌跡，即可得到煤層厚度的具體數值。

2.2 應用效果與討論

在上述實驗準備情況下，分別使用本文設計的基于無線電波透視技術的煤層厚度探測方法和傳統的煤層厚度探測方法進行探測，將兩者探測的煤層厚度數值與實際煤層厚度值進行對比，應用效果如表3 所示。

表3 應用效果

由表3 可知，本文設計的煤層厚度探測方法探測的煤層厚度與實際煤層厚度較接近，證明設計的煤層厚度探測方法的探測效果較好，具有準確性，有一定的應用價值。

3 結論

綜上所述，工業化發展推動了煤礦探采技術的進步，但在實際煤礦探采過程中，受煤層沖刷作用影響存在煤層厚度探測問題，限制了探采技術的發展，傳統的煤層厚度探測方法的探測敏感度較低，探測效果較差，因此本文基于無線電波透視技術設計了新的煤層厚度探測方法，進行實例分析，結果表明，設計的煤層厚度探測方法探測的厚度值與實際煤層厚度值較接近，證明設計的煤層厚度探測方法的探測效果較好，具有準確性，有一定的應用價值，可以作為后續煤層探采的參考。