基于电磁波CT三维技术探测工作面异常构造∗

徐白杨郭昌放杨 真周宏伟

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.山西凯嘉能源有限公司，山西省介休市，032000）

★ 煤炭科技·开拓与开采★

基于电磁波CT三维技术探测工作面异常构造∗

徐白杨1，2郭昌放1，2杨 真1，2周宏伟3

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.山西凯嘉能源有限公司，山西省介休市，032000）

为了在工作面回采之前探明异常构造的类型以及影响范围，消除异常构造给工作面回采造成的影响，利用电磁波CT三维成像技术，并通过数值模型以及平顶山天安煤业有限公司11140回采工作面的应用，证明该方法直观、安全、有效，可以用来指导煤矿工作面的安全回采。

回采工作面 异常构造 电磁波CT 数值模型 三维成像

在煤矿工作面回采过程中，常因遇到未提前探明的异常地质体使开采技术复杂化、开采成本增加、可开采煤炭储量降低，甚至引发灾难性事故，造成巨大的经济损失，威胁井下工作人员的生命安全。因此，如何在工作面回采之前探明异常构造的类型和影响范围，对煤矿的开采计划、储量估计、危害评价以及井下工作人员的安全等至关重要。

目前煤矿常用的探测方法是电磁波CT（坑透）和地震波CT。电磁波CT的观测系统采用定点探测，即发射机固定在巷道事先标记好的发射点位置上，接收机在工作面另一巷道一定范围内逐点接收，在完成一条巷道的探测后，将接收机和发射机互换，进行同样操作，观测射线呈扇形分布，如图1所示。这种方式导致投影数据不完备，进而形成的投影矩阵病态且严重秩亏。

本文基于总变分正则化，在电磁波CT透射、层析成像等原理的基础上引入三维CT成像技术，避免了传统方法只依靠二维图像分析异常构造的弊端。三维图像能够立体、直观的描述异常区的边界，同时结合二维数据、水平投影曲线，通过综合分析，解决由于重构图像清晰度低带来的边界模糊、异常区偏大等问题。该方法安全、有效，可以为煤矿工作面的高产高效回采提供技术支撑。

图1　电磁波CT观测系统示意图

1　电磁波CT探测原理

电磁波在地下岩层中传播时，由于岩、矿石的电性（电阻率ρ和介电常数ε）不同，它们对电磁波的吸收也不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用。当波前进方向上遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗。因此在矿井地质条件下，如果发射源发射的电磁波在穿过煤层途中遇到断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其它构造时，波能量将被吸收或完全屏蔽，则在接收巷道只能收到微弱信号或收不到透射信号，形成透视异常区，即所要探测异常体的位置和范围。

为了研究煤矿实际回采工作面的异常区分布，通常将工作面进行离散化处理，将整个区域划分为m×n个像素，如图2所示。

图2　待重构区域网格离散化

所有被第i条射线所穿过的网格对射线Li总的贡献为:

式中:aij——射线Li在第j个网格中的吸收系数；

xj——射线Li在第j个网格中的截距；

F（x，y）——第i条射线穿过物体后在线阵上所获得的投影值。

将式（1）简写成矩阵的形式:

式（2）中，B是实测数据，当把探测区域通过网格离散后，根据射线可求得矩阵A。在实际煤矿工作面中，由于投影数据的个数远小于未知像素个数，所以式（2）只能得到近似解。

在实际求解过程，可以建立求解模型:

式中:X——待重构的图像像素；

f（X）——优化的目标函数；

ε——用以衡量噪声的参数。

图像评价的标准有很多种，常用的是吉洪诺夫（Tikhonov）正则化的目标函数，即:

式中:A——电磁波吸收系数矩阵；

x——距离矩阵；

b——实测电磁波的能量值；

λ——正则参数；

L——正则算子，与系统矩阵的具体形式有关。

由于煤矿工作面狭长，射线覆盖不完备，反演结果存在一定的失真，因此在计算出满足条件的像素后，以像素为基础，改变传统的二维成像，以MATLAB为基础，完成水平投影曲线以及三维图像的绘制。

通过该方法完成的图像，清晰度高，能够锐化异常边界，从而解决了由于辨识度低造成的异常区域扩大导致无法指导煤矿工作面安全回采的问题。

2　数值模型

我国大多数煤矿工作面均较为狭长，走向长度约为1000～3000 m，沿倾斜方向的宽度约为200 m。采用电磁波CT探测煤矿工作面内部构造的原理是当电磁波在地下岩层中传播时，各种煤、岩体电性不同，对电磁波的吸收也有一定的差异，因此，在沿电磁波射线方向上，电磁波能量的衰减包含着沿此射线方向上的地质信息，因此，可以利用所接收到的电磁波能量重构射线覆盖范围内的地质异常区。

本研究参照煤矿实际回采工作面设定了长为700 m、宽为200 m的数值模型，如图3所示。假设该工作面内部存在一个陷落柱以及一条隐伏断层。射线覆盖的方式采用一边发射、对边接收互换方向的煤矿工作面电磁波CT探测时观测系统的标准布置方式。在此观测系统下，得到的系数矩阵为高度稀疏且严重秩亏的病态矩阵。在此基础上得到二维重构图像如图4所示，通过与模型中异常构造进行对比、分析可知，该重构图像中异常构造的影响范围被放大，边界也比较模糊。

图3　工作面数值模型

图4　模型二维反演结果

由此得到的反演结果并不能满足煤矿工作面回采的安全需求，本研究在原来二维求解得到系数矩阵基础上，引入三维图像，如图5所示，通过三维数据所呈现的立体效果，就可以准确判断断层影响区域的边界，从而解决了边界模糊的问题。

图5　模型三维效果图

3　地质概况

平顶山天安煤业股份有限公司三矿己15-11140工作面位于己组采区下部，该回采工作面北部为已经回采结束的己15-23120工作面，南部为己组一期中部车场，西部为已经回采的己15-11120工作面，东部为已回采的己15-11110工作面。该工作面走向长度为982～1177 m，倾斜宽度为197 m，地面标高为+170～+220 m，工作面标高为-300～-529 m，工作面煤层倾斜角度平均为13°。

该回采工作面开采的煤层属于己15煤层，该煤层平均厚度为1.6 m，该采面煤层直接顶板为砂质泥岩，直接底板为泥岩，老底为细砂岩。煤层顶底板岩层视电阻率值均低于己15煤层，符合无线电波透视的基本物理条件。

4　数据处理与分析

4.1煤层厚度变化分析

煤层厚度变化常是多种因素复合作用的结果，只是其中某种因素起主导作用。在断层发育的地区，煤层厚度变化受断层影响。一些逆断层两侧可能出现煤层的逆掩重叠或挤压聚集，形成煤层变厚的区域；而一些正断层由于引张拖拽作用，可导致断层附近上、下盘煤层厚度变薄。

针对11140工作面掘进揭露的信息，提取两巷煤层厚度数据，拟合了11140工作面的煤层厚度图，见图6。

通过煤层厚度拟合图发现，在距切眼（0 m处）50～130 m的位置，煤层比较薄，由此可以推断，在该位置可能会形成薄煤区，在距切眼600～630 m的位置，煤层也变的相对比较薄，总体分析，这些煤层变薄区域对工作面的回采存在一定的影响。

图6　11140工作面煤厚拟合图

4.2工作面两巷揭露的断层

11140工作面实际揭露12条断层，其中在风巷距切眼274 m处存在落差为0.9 m的断层，距切眼448 m处存在落差为1.1 m的断层，距切眼458 m处存在落差为1 m的断层；在机巷距切眼390 m处存在落差为2 m的断层，距切眼415 m处存在落差为1.8 m的断层，距切眼800 m处存在落差为2 m的断层，距切眼833 m处存在落差为1.1 m的断层，距切眼854 m处存在落差为1.6 m的断层。

4.3CT层析成像分析

CT层析成像技术充分利用了电磁波在传播过程中携带着所传播路径的地质信息，在回采开始之前重构出工作面内部的异常构造。该技术弥补了常规场强对比法和综合曲线交汇解释方法的不足，凸显异常区域的边界，大大提高了资料解释的精确度和可信度，增强了异常区域的拾取能力。

在数据处理前，先将工作面进行离散化处理，将工作面划分为边长相同的正方形网格，11140工作面网格的划分如图7所示。

图7　11140工作面观测系统布置图

利用SIRT算法，计算出每个网格所代表的吸收系数，从而获得煤矿工作面的吸收系数矩阵。二维成像技术通常是将吸收系数矩阵按照相应比例转化为像素值，以色差或者等值线的形式变现出来，由于受成像技术的限制，二维图像的像素较低，在拾取异常区边界时，困难较大。

为了解决异常区边界难以辨识的问题，本研究将每列吸收系数进行叠加，用软件MATLAB绘制出一条沿工作面走向的光滑曲线，11140工作面水平投影曲线见图8。图中吸收系数低的区域代表工作面内异常构造的分布范围，通过水平投影曲线，可以判定异常区域沿回采方向的分布区间。

图8　11140工作面走向水平投影曲线

水平投影曲线只能判断沿走向的大致分布范围，而在该区间内异常构造具体的分布形态以及边界依然无法准确判断，因此，将工作面离散化后得到的系数矩阵转化成不同的高度的系数矩阵，通过数值之间的差异，划分异常区域的范围与延伸方向。三维显示具有形象和直观的特点，11140工作面三维成像如图9所示。

图9　11140工作面CT探测成果图

本次探测共圈定了3个异常区:1号异常区位于160～210 m，根据三维探测结果，该区域呈现低阻的现象，判断为异常区域，结合巷道在掘进过程中揭露的地质信息，该异常区右侧存在多条落差为1 m的小断层，参考煤层厚度拟合结果以及走向水平投影曲线，判断该异常区域为断层影响区，并贯穿机巷和风巷，建议打钻验证，加强预测预报工作；2号异常区位于590～690 m，根据三维图像重构结果，该区域阻值较低，由于巷道掘进过程中在该区域未发现异常，因此参考煤层厚度变化以及走向水平投影曲线，判断该区域可能存在隐伏构造，建议打钻验证，加强预测预报工作；3号异常区位于770～840 m，巷道掘进过程中该区域存在一条落差为2 m的断层，因此初步判断该区域是受断层的影响，该断层向工作面内部延伸70 m左右，对工作面回采影响较小。

5　结论

数值模拟以及煤矿回采工作面的实际探测表明，利用电磁波CT探测工作面内部异常构造时，三维成像技术凸显了异常区域的边界，同时参照巷道掘进过程中揭露的地质信息以及水平投影曲线，可以准确拾取异常区的影响范围，提高判断的精度，为矿方提供更加真实的分析结果，保障煤矿工作面安全回采。

［1］ Yang Z，Chang S，Wu X，et al.Mining Safety Mechanisms Adopting CT Projection Matrix Measured by Electromagnetic Wave Imaging in a Longwall Panel［J］. Disaster Advances，2013（5）

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［5］ 刘焕新，王利宏，刘树才.坑透高精度CT层析成像测量方法试验研究［J］.山东煤炭科技，2010（1）

［6］ 刘加利.坑透技术在复杂地质条件下的应用 ［J］.河北煤炭，2005（4）

［7］ 朱怀志，刘合廷，张均仿.无线电磁波坑透探测技术的应用［J］.煤炭技术，2005（12）

［8］ Andes E J，Romberg J，Tao T.Robust uncertainty principles:exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information［J］.IEEE Transactions on Information Theory，2006（2）

（责任编辑 郭东芝）

Research on abnormal structure detection in working face based on three-dimensional imaging technology of electromagnetic wave CT

Xu Baiyang1，2，Guo Changfang1，2，Yang Zhen1，2，Zhou Hongwei3
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.Shanxi Kaijia Energy Co.，Ltd.，Jiexiu，Shanxi 032000，China）

In order to ascertain the abnormal structures＇type and influencing range before stopping and eliminate the influence of abnormal structures on stopping，three-dimensional imaging technology of electromagnetic wave CT and numerical simulation method were applied in 11140 stope face in Pingdingshan Tianan Coal Industry Co.，Ltd.，which showed that this method was intuitive，safe and effective to guide safety mining of the mine stope face.

stope face，abnormal structure，electromagnetic wave CT，numerical model，three-dimensional imaging

P631

A

∗国家高技术研究发展计划（863计划“薄煤层开采关键技术与装备”，2012AA062101），国家自然基金面上项目基金（51174193），中国矿业大学生创新基金资助大学生创新项目（DC201605）

徐白杨（1991-），江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为采矿工程、矿井地质环境监测及安全回采。