雙頻透射無線電波勘探方法及應用研究

傅先杰，胡澤安，吳榮新，黎 鵬

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232170；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

由于斷層、陷落柱、薄煤帶等地質(zhì)異常，降低了煤層回采工作的效率、增加了設備損耗率，嚴重影響了煤炭的安全高效生產(chǎn)[1-4]。無線電波透視技術因儀器輕便、資料采集方便迅速、透視距離較大、探測效果較顯著等優(yōu)勢，成為目前國內(nèi)外煤層工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造探查最普遍采用的物探手段[5]。國內(nèi)外學者已開展了大量的理論分析[6]、數(shù)值模擬[7]、相似物理模擬、數(shù)據(jù)處理與層析成像[8-9]和現(xiàn)場應用[10-11]等方面的研究，對工作面內(nèi)的斷層、薄煤區(qū)、陷落柱等巖石物理特征及電磁波探測響應特征有了較系統(tǒng)的認識。無線電波透視法通常采用單一頻率進行探測，每個接收點僅測量單一的場強幅值，面對大采寬煤層工作面，若單一頻率選取不當，可能難以準確圈定地質(zhì)異常范圍，無法有效分析判識地質(zhì)異常性質(zhì)；若測量多個單頻數(shù)據(jù)，會大大增加工作人員的勞動強度和探測時間，不利于正常井下施工作業(yè)[12-14]。

國內(nèi)外學者近年來開始了工作面多頻無線電波透視試驗研究，在工作面內(nèi)大范圍地質(zhì)異常的精細探測方面取得了一些成果[15-18]。但如何有效地利用多頻數(shù)據(jù)信號進行數(shù)據(jù)處理及地質(zhì)異常精細判識，尚未系統(tǒng)深入地展開研究，因此，無法有效指導無線電波的實際探查。基于此，筆者提出了雙頻透射無線電波勘探方法，即一次探測獲取2 個頻率的透射場強信號，旨在提高無線電波對煤層工作面地質(zhì)異常的探測效果，實現(xiàn)對地質(zhì)異常區(qū)的精細勘探，為多頻透視數(shù)據(jù)的處理及應用提供一個新的思路。

1 方法原理

為簡單起見，推導和計算過程中把煤層中的電磁波視為諧變的平面電磁波。假設波的前進方向與平行煤層的軸方向一致，波面與y、z軸所在的垂直平面平行。無線電波的本質(zhì)是交變的電場和磁場，在電磁媒介中傳播會產(chǎn)生一定的熱能損耗，在井下無線電波透視研究中，通常將這種損耗稱之為煤(巖)介質(zhì)對無線電波的吸收作用，即煤(巖)介質(zhì)的衰減系數(shù)α(單位為dB/m)[19]：

式中：μ為磁導率，H/m；ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ρ為電阻率，Ω·m；f為工作頻率，Hz。

煤層的電阻率范圍一般為10～106Ω·m，其范圍跨度很大[20]。作為電磁波波導，煤層與圍巖電性差異越明顯越有利于電磁波的傳播。煤的電阻率在103～104Ω·m，現(xiàn) 有 坑透儀器的工作頻率范圍在104～106Hz，以上述范圍作為限制條件時，可得到的近似值為1.13×10?11～3.75×10?9，則有：

設c為調(diào)配系數(shù)，此時，衰減系數(shù)α可以近似為頻率的正相關函數(shù)，即：

式中：γ為吸收因子，當ρ=103Ω·m 時，衰減系數(shù)α隨 頻率f的變化關系如圖1 所示。

圖1 衰減系數(shù)α 與電磁波頻率關系曲線Fig.1 Attenuation coefficient α vaying with electromagnetic wave frequency

利用衰減系數(shù)α對頻率f求導得到:

由于γ′為γ的高階無窮小，吸收因子γ即為衰減系數(shù)和頻率的導數(shù)，其與電磁波傳導介質(zhì)的介電常數(shù)、磁導率及調(diào)配系數(shù)c相關。由圖2 可知，低頻時γ變化較大；隨著頻率增加，γ值變化逐漸減弱，最終基本呈現(xiàn)為水平直線。該現(xiàn)象說明了γ參數(shù)對低頻更加敏感。采用雙頻透射無線電波探測方法，不僅可以一次獲取2 組頻率的場強值，也可以獲取吸收因子γ參數(shù)。基于吸收因子γ與電磁波頻率的函數(shù)關系，采用雙頻透射無線電波探測技術時，需至少選用一個低頻段作為工作頻率，這有利于增強吸收因子響應異常的效果。

圖2 吸收因子γ 與電磁波頻率關系曲線Fig.2 Absorption factor γ varying with electromagnetic wave frequency

為規(guī)范γ參數(shù)意義且兼顧雙頻探測數(shù)據(jù)特征，可由式(3)求取衰減系數(shù)α對頻率的相對變化率。選取2 個不同頻率(f1，f2)的無線電波在同一煤(巖)層中傳播，計算得到該煤層不同頻率的電磁波衰減系數(shù)，分別設為α(f1) 和α(f2)，可得到：

由于調(diào)配系數(shù)c難以確定，工程應用中難以通過理論計算得到γ，可利用實測磁場場強數(shù)據(jù)H求取α(f1) 和α(f2) 。以求解α(f1)為例，在均勻煤(巖)介質(zhì)中確定一發(fā)射點，選取距發(fā)射點垂直方向線性距離分別為r1和r2的 兩點，此兩點接收數(shù)據(jù)為H1和H2：

式中：H0為初始場強值，dB。

由式(6)可得到：

同理可得α(f2)，因此，聯(lián)立式(5)利用同一觀測系統(tǒng)獲取2 個不同頻率的實測場強值即可求取吸收因子γ。

2 方法驗證

為驗證雙頻透視無線電波勘探方法優(yōu)于傳統(tǒng)的單頻無線電波探測技術，即證明利用雙頻法計算得到的吸收因子γ驗證煤層中存在地質(zhì)異常體的效果優(yōu)于衰減系數(shù)α，擬構(gòu)建有限元三維數(shù)值模擬實驗。

采用簡化的層狀地質(zhì)模型，即巖?煤?巖三層模型；其中煤層長600 m，采寬200 m，煤厚6 m。沿發(fā)射點垂直方向布置18 個接收測點(圖3)，選擇低頻段0.088 MHz 和高頻段0.965 MHz 雙頻工作頻率，分別對無異常構(gòu)造煤層(圖4a)和存在斷層的煤層(圖4b)進行無線電波透視模擬實驗。斷層斷距30 m，傾角30°軸方向跨70～95 m 測點11—測點14，如圖4b 所示。模型介質(zhì)見表1，需要注意的是，此次實驗假設斷層被碎裂的巖石填充，故斷層電阻率與頂?shù)装鍑鷰r的近似。

表1 模型介質(zhì)參數(shù)Table 1 Parameters of media in the simulation models

圖3 模擬實驗觀測系統(tǒng)布置Fig.3 Arrangement of the simulation experiment observation system

圖4 雙頻透視無線電波勘探數(shù)值模型Fig.4 Numerical models of dual-frequency transmission electromagnetic wave-based exploration

通過上述數(shù)值模擬實驗，可得到2 種頻率分別在無異常構(gòu)造煤層和含斷層煤層中的4 組透射無線電波場強分布曲線(圖5)。由圖5 可知，接收點距發(fā)射源180 m 時，0.965 MHz 與0.088 MHz 頻率場強差值可達到30 dB，較高頻無線電波的能量損耗較大，且對斷層異常的響應更為明顯。

圖5 不同頻率無線電波場強衰減曲線Fig.5 Attenuation curves of the field strength of radio waves at different frequencies

為證明吸收因子對于斷層異常反饋效果更優(yōu)，需依據(jù)已有場強值進一步計算，以f1=0.088 MHz 頻率為例。無異常煤層和存在斷層煤層的模擬各得到18 組場強數(shù)據(jù)，為了減小誤差，利用式(7)分別取相鄰點數(shù)據(jù)進行計算，每個頻率各得到17 組衰減系數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6a 所示；同理可得f2=0.965 MHz 頻率衰減系數(shù)變化曲線，結(jié)果如圖6b 所示。在無異常構(gòu)造煤層中，2 種頻率衰減系數(shù)曲線無較大差別，均在0.01 dB/m 以下；在有斷層異常的煤層中，2 種頻率在70～95 m 間都存在異常響應，但較高頻衰減系數(shù)曲線的異常響應值超過0.04 dB/m，響應異常大于低頻。

圖6 雙頻無線電波數(shù)值模擬數(shù)據(jù)衰減系數(shù)變化曲線Fig.6 Variations in the attenuation coefficients of dual-frequency radio wave-based numerical simulation data

已知衰減系數(shù)α(f1) 和α(f2)，依據(jù)式(5)可分別得到無異常構(gòu)造煤層和含斷層煤層的無線電波吸收因子γ曲線，如圖6c 所示。利用無異常構(gòu)造煤層衰減系數(shù)與存在斷層異常衰減系數(shù)之差，和無異常構(gòu)造煤層衰減系數(shù)的比值進行標準化計算，結(jié)果如圖6d 所示。較高頻衰減系數(shù)數(shù)據(jù)標準化處理曲線的結(jié)果雖然仍優(yōu)于低頻，但吸收因子曲線探測異常時的變化率是0.965 MHz頻率曲線的2 倍，對于異常的顯示效果更加明顯。數(shù)值模擬的結(jié)果證明，利用雙頻法計算得到的吸收因子對地質(zhì)異常的響應特征優(yōu)于單頻衰減系數(shù)。

3 實測試驗

為評價雙頻透射無線電波勘探方法的實際勘探效果，在安徽淮南礦區(qū)某綜采工作面進行了實測試驗。該工作面走向長度約240 m，傾向長度平均約90 m，平均煤厚約4.5 m。已有的無線電波透射結(jié)果表明，采用YDT88 型坑透儀單一工作頻段0.158 MHz 探測類似寬度工作面時，常常存在大范圍高場強值區(qū)域，或其衰減系數(shù)成像圖多呈現(xiàn)較少面積高阻/低阻區(qū)域，與實際地質(zhì)探查情況不符，難以有效圈定工作面內(nèi)地質(zhì)異常區(qū)的位置。本試驗采用雙頻無線電波勘探法進行探測，YDT88 型坑透儀的工作頻率依次為低頻段0.158 MHz 和高頻段0.965 MHz。在機巷共布置4 個發(fā)射點，每個發(fā)射點對應在風巷接收13 個實測場強值；在風巷布置4 個發(fā)射點，每個發(fā)射點對應在機巷接收10～13 個實測場強值，其中發(fā)射點間距50 m，接收點間距10 m，具體現(xiàn)場布置如圖7 所示。

圖7 無線電波實測試驗觀測系統(tǒng)Fig.7 Experimental observation system for the field strength measurement of radio waves

由于發(fā)射點到接收點間距不一致，故對機巷實測場強值1-1 段進行了幾何校正處理[21-22]，處理后的雙頻各接收點接收的透視場強值，如圖8 所示。不論是高頻還是低頻，機巷1-1 接收段場強值明顯較低，圖8a 風巷中2-1 段信號強度低于其他接收段且出現(xiàn)明顯的場強值波谷，圖8b 風巷2-1 信號強度起伏波動明顯；由透視場強曲線初步判斷0—13 點存在場強異常。

圖8 實測試驗無線電波透視場強曲線Fig.8 Measured field strength curves of radio wave perspective in experiments

實測透射無線電波場強數(shù)據(jù)采SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)法進行煤層工作面衰減系數(shù)反演，反演得到的介質(zhì)衰減系數(shù)成像，如圖9 所示。反演數(shù)據(jù)值的大小用不同色標值表示，其中淺(黃)色調(diào)為低電磁波衰減系數(shù)值，冷(藍)色調(diào)為較高電磁波衰減系數(shù)值，在風巷0～70 m 范圍處存在一處衰減系數(shù)異常區(qū)。經(jīng)回采資料揭露，探測范圍內(nèi)共存在2 處地質(zhì)異常區(qū)，分別在圖9 風巷0～70 m 處發(fā)現(xiàn)YC1 煤層沖刷變薄區(qū)及機巷90～130 m 處YC2 薄煤段區(qū)。由0.158 MHz 頻率CT 成像圖可圈定部分異常范圍(圖9a)，0.965 MHz 高頻段可更加有效地圈定異常的位置(圖9b)，在衰減系數(shù)成像圖中可看出在140～240 m處煤層工作面未探查出異常。

圖9 煤層工作面坑透雙頻衰減系數(shù)成像Fig.9 Dual-frequency attenuation coefficient in the prospective of coal seam working faces

由于數(shù)值模擬僅獲取了2 組場強數(shù)據(jù)，采用曲線圖可以更好地展現(xiàn)α和γ的效果，而實測試驗往往會獲取多組場強數(shù)據(jù)，為了更加直觀地對比α和γ的有效性，可以利用ECT 系統(tǒng)處理場強數(shù)據(jù)并獲取2 個頻率的衰減系數(shù)及吸收因子的CT 成像。

為更清晰地對比單頻衰減系數(shù)和雙頻法獲取的吸收因子的成像效果，對吸收因子成像圖進行了歸一化數(shù)值處理和系數(shù)校正，且與圖9 色標統(tǒng)一便于比較。相較于單頻衰減系數(shù)結(jié)果，吸收因子參數(shù)在YC1 和YC2 區(qū)域內(nèi)的異常值更大，展現(xiàn)了更優(yōu)的異常響應，如圖10 所示。在本試驗實測結(jié)果中，吸收因子對于高阻異常區(qū)的反應相較于單個頻率更加敏感，高頻次之，低頻對于薄煤層異常的敏感性一般。該結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果相對應，在理論推導和實際運用中均驗證了雙頻透視無線電波探查方法的有效性和優(yōu)越性。

圖10 煤層工作面雙頻無線電波吸收因子成像Fig.10 Dual-frequency radio wave-based absorption factor image of a coal seam working face

4 結(jié)論

a.基于理論公式推導與分析，衰減系數(shù)α可視為與頻率f有關的正相關函數(shù)，并提出了新參數(shù)——吸收因子γ。煤層電阻率和探測頻率在一定范圍內(nèi)時，γ參數(shù)作為衰減系數(shù)對頻率的導數(shù)，較低頻時對異常響應更敏感，故利用雙頻透射無線電波探測技術時，需至少選用一低頻段作為工作頻率。

b.簡單煤層數(shù)值模擬和實測試驗的結(jié)果表明，利用雙頻法計算得到的吸收因子γ對所測試的地質(zhì)異常的響應更加敏感，雙頻法可提高煤層工作面無線電波探測地質(zhì)異常的效果，為無線電波精細化勘探和礦井地質(zhì)透明化提供一個新的方法和思路。