无线电波透视在煤矿工作面构造探测中的应用

吴灿灿，杨　光，曹　静，刘向红，彭传路

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000；3.江苏省地质勘查技术院，江苏南京，210000



无线电波透视在煤矿工作面构造探测中的应用

吴灿灿1,2，杨光3，曹静1,2，刘向红1,2，彭传路1,2

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000；3.江苏省地质勘查技术院，江苏南京，210000

摘要：为了准确探测煤矿工作面中的断层、陷落柱等构造异常体的分布范围,基于无线电波透视技术，运用场强综合曲线解释方法和反演层析成像技术，包括衰减值层析成像和衰减系数层析成像，对山西某煤矿工作面进行了探测研究，查明了工作面中的陷落柱分布范围和断层的具体延伸方向及尖灭位置。结果表明，此方法探查工作面内隐伏构造是可行的，探测精度和分辨率较高，能准确地划定构造异常的范围，并且能够区分出构造类型。

关键词：无线电波透视；构造；特征曲线；层析成像

在煤矿开采过程中，由于断层、陷落柱、侵入体等隐伏构造的存在，容易导致煤矿突水等事故的发生，严重威胁煤矿的生产安全和矿工的生命安全[1]。据不完全统计，我国自2001年以来，至少3200多人死于煤矿突水事故[2]。不仅如此，复杂的地质构造还会制约综合机械化在煤矿工作面上的开采，降低开采效率。因此，为了能够安全高效地开采煤炭资源，需要对采煤工作面进行探测，查明其隐伏构造，减少甚至避免安全事故的发生。而无线电波透视技术具有仪器轻便，探测距离远，方法简单等优点，能够有效探测采煤工作面中的隐伏构造，其应用较为广泛[3]。本文以山西某煤矿工作面为样本，对其进行探测，并综合层析成像技术和综合曲线对探测数据资料进行处理解释，圈定了采煤工作面中的隐伏构造，取得良好的效果。

1方法原理

无线电波透视技术由前苏联学者于1929年提出，称为阴影法，1946年更为现名。随后，无线电波透视技术被尝试用于探测地质构造中[4-5]。

电磁波在煤层中传播时，由于各种岩矿石电阻率和介电常数不同，它们对电磁波能量的吸收也不同。当电磁波遇到断裂构造的界面时，会产生反射和折射，造成能量的损耗。因此，当电磁波穿过断层、陷落柱、侵入体等构造时，致使接收巷道中的电磁波信号十分微弱，形成透视异常区[6]。

在不考虑电磁波散射的情况下，接收点收到的电磁波场强度(H)为[7]：

对接收点接收的电磁波数据进行解释处理，主要采用综合曲线法和层析成像法。综合曲线法是把同一发射点的接收数据连成一条曲线，并与同一发射巷道中所有接收数据连成的曲线绘在一张图上，观察曲线形态，根据接收点的场强值的不同，判断出不同位置处可能存在的异常构造。层析成像技术是对所得到的数据信息进行反演计算，建立被测范围内岩体物性参数分布规律的图像，用色块图、灰度图、等值线图、立体图等图像表示出来，从而达到圈定地质异常体的目的。

2应用实例分析

2.1工作面概况

山西某煤矿2201工作面设计总长400 m，宽100 m，煤层厚度变化不大。据其上层煤开采揭露的地质情况可知，在工作面中有一个陷落柱；另外，在工作面两侧巷道掘进过程中出现断层构造。为了查明陷落柱的范围和工作面内断层的具体延伸方向及尖灭位置，进行了井下无线电波透视工作。

2.2施工布置与数据采集

本次工作采用中国煤炭科工集团重庆研究院生产的WKT—E型无线电波透视仪。采用定点发射形式，天线频率为0.5 MHz。

首先，发射仪器在巷道1中处发射电磁波，接收仪器在巷道2接收电磁波。发射仪器在巷道1中从0点开始发射，然后向右移动，每个发射点间距50 m。在同一个发射点发射电磁波，接收仪器都需要接收9～18个数据，每个接收点间距为10 m。为了减少盲区,保证数据的数量，采用双收双发装置，在巷道2中也发射电磁波，在巷道1接收。此次工作在两巷道中共布置18个发射点，265个接收点(图1)。

图1　无线电波透视射线图

2.3探测结果与讨论

应用无线电波透视软件对所采集的数据进行处理，得到实测场强曲线图，如图2、图3所示。图2是巷道2接收点接收的实际场强绘制的综合曲线图，纵坐标代表接收点号，每个接收点相距10 m，横坐标代表实际测量场强值。综合曲线整体形状呈“W”型，最大值为80.4，最小值为5。前端部分和后段部分的场强值较大，说明电磁波在煤层中传播时，被吸收较少，基本没有构造异常体的存在；在16和30号接收点附近，场强数值较小，说明电磁波在传播过程中消耗较多，有构造异常体的存在。而在22号接收点处数值比16号和30号数值大，但比前端和后端的值小，主要是因为受到附近异常体的影响所致。

图3是巷道1接收的实际场强绘制的综合曲线

图2　巷道2接收实测场强曲线图

图3　巷道1接收实测场强曲线图

图，最大值为40，最小值为3，整体形状上呈“W”，在16号和31号接收点附近数值较小。综合曲线图与图2较为相似，但有所不同，特别是高值部分，比图2相差太多，可以确定在16号和30号接收点处存在构造异常体，但形状不均匀。因此，在工作面两侧巷道分别接收的数据具有稍微的差异。

把图3中第7个发射点的接收数据单独绘成曲线，并模拟出理论曲线(图4)，可以看出，实测曲线成“V”形状，这是较为典型的异常曲线，主要是因为中间部分的接收点接收的场强信号受到异常体吸收，能够揭露出此处有陷落柱的存在。

图4 异常区典型曲线

采用层析成像技术软件对数据进行进一步处理，得到直观明了的层析成像图，如图5、图6所示。

图5是反演出的工作面层析成像图，图中不同的颜色代表电磁波衰减值的大小。图中用3个红色的椭圆圈定了3个异常区域，第一个和第二个异常区在图上显示为断续的颜色较深的图像，每个小的区块中心衰减值为-20～-24 dB，周围异常幅度减小，表现为断层影响区域，第三个异常区为较为集中的深颜色图像，中心位置衰减值大约为-35 dB，周围衰减值减小，表现为陷落柱影响区域。其他区域未见大范围的异常。与图2、3、4所指示的构造异常体位置大致相同。

图6是对实测资料进行电磁层析成像反演的衰减系数图，通过图像颜色能看出工作面中各部位的岩矿石和煤对电磁波的衰减系数。不同的灰度代表不同的衰减系数，衰减系数高，则在图上的颜色较深。正常情况下层析成像图上煤层衰减系数为0.45，综合考虑，圈定衰减系数大于0.65的为异常区，图中120 m处、170 m和200 m处均大于0.65，可判定为异常区。在300 m处，衰减系数甚至大于0.8，且范围较大。

图5 衰减值成像图

图6　衰减系数成像图

根据图2～图6，结合工作面地质资料，可以区分断层和陷落柱，并且能确定陷落柱的范围和工作面内断层的具体延伸方向及尖灭位置。经工作面回采地质资料验证得知，无线电波透视结果较为可靠。

3结束语

对煤矿工作面构造探测研究，得出以下结论：

(1)无线电波透视技术能有效探查出工作面内断层、陷落柱等构造，并能圈定出分布范围。

(2)单发射点接收数据曲线形态能够区分出构造类型。

(3)综合场强综合曲线解释方法和反演层析成像技术，包括衰减值层析图形和衰减系数层析图像，能提高探测精确度。

参考文献：

[1]吴艳清.地下电磁波探测及应用研究[D].长沙:中南大学地球科学与信息物理学院,2002：1-106

[2]邢冬梅,叶义成,赵雯雯.我国矿山透水事故的统计分析及安全管理对策[J].金属矿山,2010(6):178-181

[3]刘广亮,于师建.基于质心频移的无线电波透视层析成像[J].地球物理学进展,2008,23(2):583-587

[4]杨光,姜志海,金红娣,等.无线电波透视技术探查工作面隐伏构造[J].煤炭工程,2012(3):126-128

[5]李焕民.无线电波透视技术在工作面构造煤探测中的应用[J].煤炭科学技术,2009,37(3):100-102

[6]Engquist B,Majda A.Absorbing boundary conditions for the numerical simulation of waves[J].Mathematics of Computation，1977,31:629-651

[7]LOKE M H,BARKER R D.Least-squares deconvolution of apparent resistivity pseudosetions[J].Geophysics,1995,60(6):1682-1690

(责任编辑：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.07.029

收稿日期：2016-02-08

基金项目：宿州学院自然科学研究项目“皖北八山地区花岗岩的时代与成因研究”(2014yyb08);宿州学院科研平台开放课题“高密度电法在工程勘察中探测采空区精度的研究”(2014YKF07);大学生创新创业训练计划项目“瞬变电磁法圈定含水区域精度的研究”(201510379077)。

作者简介：吴灿灿(1987-)，江苏徐州人，硕士，助教，主要研究方向：地球物理勘探。

中图分类号：P631

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2016)07-0109-03