射电定位法在煤矿全工作面大规模探放顶板水中的应用

黄福泉， 李昭水， 黄 旸， 于绍波， 朱 蒙， 宋祥生， 徐 正， 张运国， 牛 锋， 裴海伦， 蒋 伟

(1. 中国科学院紫金山天文台,江苏 南京 210008； 2. 江苏康迪射电科技有限公司， 江苏 南京 210004； 3. 山东能源枣矿集团七五煤矿， 山东 济宁 277606)

0 引 言

2018年3月28日—4月4日，使用YST13.2矿用射电水探测仪在山东能源枣庄矿务集团七五煤矿217工作面进行了顶板水的大规模现场探测，217工作面运输巷和轨道巷长约1 800 m，设置了33个基点，每2个基点之间基线长度平均约为60 m，每个基点测150个读数，共约5 000个测试数据。提供了基于AutoCAD的217全工作面富水区定位示意图，经数据处理、地下水辐射强度鉴别等筛选出20个富水区体心坐标，经进一步确认及折射修正，最后认定并给出5个富水区体心坐标和探水钻孔的钻孔深度、钻孔角度及钻孔开口位置表。七五煤矿按该表数据依次钻孔，除一个钻孔因靠近联络巷而未见水外，其余4个钻孔均出水，水量为5.0～0.2 m3/h，探放顶板含水区的钻孔验证结果准确率为100%。这是射电定位法在我国煤矿工作面顶板水的物探探放水实践工作中第一次大规模工业现场应用，充分证明了射电定位法这一创新方法的有效性(李昭水等，2018；Huang et al., 2019a,b)。

1 射电探测仪器

煤矿地下水安全监测方法和产品目前主要有地质勘探、钻孔探水(直接法)，P-S地震波构造探测、三维地震、微震仪(震波法)，地质雷达(反射法)，瞬态电磁探测、交直流电阻法(导电率ρ)等。其中最直接的手段是钻孔探水，缺点是耗时费力；在煤矿地下水安全预测方面应用较广的方法首推瞬态电磁探测，缺点是有金属物体时容易受到干扰。煤矿地下水安全预测和防治需要能更直接给出富水区的准确位置及丰水度的地下水测量产品。

结合GRS-1B隔爆型煤层瓦斯射电频谱测向预警仪，研究开发出一种应用射电方法于煤矿井下测水的本安型电子仪器——YST13.2矿用射电水探测仪(发射率σ法)(图1)，通过接收不同发射率的射电辐射源的煤、岩、水3者不同的辐射功率及辐射源方位等参数，测量煤岩层中富水区的方位及含水丰度等。是一种无源探测设备，在探测地下水时，接收来自地下煤、岩和水的辐射信号，通过仪器处理后，根据仪器显示的数值进行判断、处理(黄福泉，2017a,b)。

图1 YST13.2矿用射电水探测仪系统示意图

判断、处理的依据主要有：① 在地下水流速很慢甚至近于零的情况下，煤、岩、水系统可以被视为温度均匀的热力学意义上的稳态系统，此时三者不同的玻尔兹曼辐射功率完全由各自不同的发射率σ而引起；反之，若地下水有一定的流速，则水温与周围煤岩层的温度并不均匀，流动的地下水与周围煤岩层之间并非热力学意义上的稳态系统，此时三者不同的玻尔兹曼辐射功率既与各自不同的发射率有关，也与其不同的即时温度有关；② 煤、岩和水的4个物理参数具有明显差别(表1)。

表1 判断的主要条件

图1中，仪器具有2个双定向天线组：棒状双定向天线组和平板双定向天线组，巷道测水通常使用平板双定向天线组(含准对数周期平板定向天线和铁氧体棒状定向天线)；主机有2套射电辐射计系统：调制式射电辐射计系统和全功率式射电辐射计系统，前者与平板双定向天线组准对数周期平板定向天线相连，后者与平板双定向天线组铁氧体棒状定向天线相连；主机面板显示器有双显示功能：读数1显示使用准对数周期平板定向天线的调制式射电辐射计测试系统输出值(VM)，读数2显示使用铁氧体棒状定向天线的全功率式射电辐射计测试系统输出值(VP)。

VM和VP形式上是电压值，实际上分别表征了2套测试系统收到的某一方向上的玻尔兹曼射电辐射功率，但由于天线和辐射计制式不同，二者并不能等同，在约40 dB动态范围内VM是线性的，在约70 dB动态范围内VP是经过压缩、非线性的。此外，VM是表征准对数周期平板定向天线圆锥状主瓣在宽频带(5 MHz) 内接收到的不同频率上的辐射功率平均值，VP是表征铁氧体棒状定向天线半球状主瓣在某一段相对窄的频带上(≤100 kHz) 接收到的不同频率上的辐射功率最低值，几十次井下现场测试结果显示，VM对岩层的变化较敏感，VP对含水量的变化较敏感。

2 射电探测方案

2.1 研究区地质

七五煤矿靠近微山湖，3上217工作面位于矿区东部，3上煤层之上的地层为二叠纪粒砂岩、粉砂岩和细砂岩，具有一定的透水性。工作面全长约为900 m，近南北走向，主体部分上下巷道中心之间的距离约为145 m(超过YST13.2仪最大探测距离45%)。在3上217工作面的AutoCAD图上，轨道巷为上巷道,约为950 m;运输巷为下巷道，约为840 m，上下巷道高差为16～18 m。上巷道有2个落差≤1.3～11.0 m的中小断层，即F1(H=1.3 m,∠70°)、F2(H为3.2～11.0 m,∠65°)；下巷道共有4个落差≤1 m的小断层，即F3(H=0.6 m,∠70°)、F4(H=0.3 m,∠65°)、F5(0.5 m, ∠30°)、F6(H=1 m,∠65°)。

七五煤矿3上煤层上覆5 m厚的砾砂质泥岩，5 m之上是厚约42 m的细(厚26.6 m)、中(厚8.0 m)、粗粒(厚7.7 m)砂岩，需重视泥岩破裂后砂岩水下泄的可能，要查清3上煤层顶板的水分布情况。因此，为七五煤矿217工作面顶板水的探测制定了上下巷长基线、多基点、俯仰水平多方位的射电测水定位方法。

2.2 探测方法

根据3上217工作面AutoCAD图，选定217工作面上巷的15、16、17、9、8、7、6、5、4、3号10个标记点共871 m作为射电测水基线(14号进入切眼、2号在停采线上弃去)，凡两基点间距L≥60 m者皆增补L/2基点，如此上巷共17个基点：15、16、17、17′、9、9′、8、8′、7、7′、6、6′、5、5′、4、4′、3。

选定217工作面下巷的12、11、10、9、8、7、6、5、4号9个标记点共740 m作为射电测水基线(12号已进入切眼，仅取右侧数据，1、2、3号在停采线之外弃去)，凡两基点间距L≥60 m者皆增补L/2基点，如此下巷共16个基点：12、12′、11、11′、10、10′、9、9′、8、8′、7、6、5、5′、4、4′。

上述基点(上巷17个、下巷16个)应尽量位于一条直线上，且尽可能位于巷道两壁的中心点。平板天线组三角架中心分别与这些基点重合，天线平面垂直于巷道地平面，定义天线平面的中心法线垂直于巷道壁平面，俯仰角和水平方位角均为0°，水平方位角为左负右正，俯仰方位角为上正下负。

平板天线组三角架中心置于某个基点位置上，天线平面朝向工作面方向，从上到下依次转过60°、45°、30°、15°、0°共5个俯仰角度，在每一个俯仰角度水平方位从左到右-70°→+70°转动平板天线组，每隔10°取1个调制系统读数VM和1个全功率系统读数VP，共5组读数5×15个VM和5×15个VP，每个基点共150个读数，则上巷17个基点2 550个读数，下巷16个基点2 330个读数，共32.5组4 880个读数。上下巷每组VM和VP读数中各取最低的2～3个“谷值”读数/角度，标记在相应的5张(60°、45°、30°、15°、0°)AutoCAD图上，其交点处±5°(视折射和偏转校正而定，可能至±10°)即为水平富水区中心位置，上下巷共10张富水区交点图。

由于上下巷距离约为145 m，其一半约为72 m，尚在YST13.2仪的最大探测范围内，因此，找出上下巷对应基点的位置可能还需要进行上下巷辐值强度的拟合，从而进一步提高上下巷之间的中心位置，即217工作面回采中心线附近的富水区测试的可靠性(黄福泉，2018a,b)。

3 基本原理

3.1 自然稳恒状态

根据热力学定律，原始煤层自然形成后，在未遭受地质变动的年份即处于相对稳定的地质状态下，经一定时间后，其物理温度将达到某种稳恒状态，即由于外部压力或内源性氧化导致的升温ΔT(L)与往周边岩层的热辐射、热传导达到一个平衡状态，总体温度及其梯度分布也处于一个平衡状态而具有确定值。

3.2 开采煤层温度变化

(1)

式(1)表明，在一段较短的距离(如100 m)内，通过连续测量煤岩层物理温度的变化，即可监控并判断煤层内部100 m内地下水的流动、渗透以及地下水逼近辐射温度监测点的情况。因此，如能连续监测开采点附近的煤岩层辐射温度的变化(0.01～0.1 ℃)，对于监控煤矿掘进中地下水的逼近以及预警地下水的涌出将有重要意义，这可以通过在巷道掘进迎头钻孔(φ60×2 000 mm)中插入棒状双定向天线组和使用射电辐射测温仪来实现(黄福泉，2017a,b)。对于短距离内的地质动力学因子急剧变化的情况(如断层)，则有

(2)

即，地质动力学变化因子上升为主要因素(黄福泉，2018a，b; Huang et al., 2019c)。

3.3 射电辐射探测原理

射电测水仪除天线主瓣定向接收来自含水煤岩区域的射电辐射，天线后瓣和旁瓣还接收了巷道中来自地面和地下工业干扰源的射电辐射(图2)。这些辐射对系统的设计很不利，对系统的要求也很高。

图2 射电测水仪井下工作环境示意图

为便于分析，暂不考虑辐射干扰，只考虑煤层、岩层和地下水的辐射。煤层、岩层和地下水都存在玻尔兹曼辐射，但发射率不同，所以玻尔兹曼辐射功率不同。根据玻尔兹曼定律(黑体辐射定律)：P=KT，任何不处于K氏温标绝对零度的理想黑体都存在电磁辐射功率且遵循玻尔兹曼定律，煤层、岩层和地下水都属于非理想黑体，发射率σ≠1，分别设为σC、σY、σW，当其具有非K氏温标绝对零度的某一温度TC、TY、TW时，存在玻尔兹曼辐射且其辐射功率分别为：煤PC=σCKTC；岩PY=σYKTY；水PW=σWKTW。

由于煤层、岩层和地下水共存于地层中，因此稳态下煤层、岩层和地下水具有同一物理温度TCYW，但煤的发射率σC与岩层的发射率σY、地下水的发射率σW不同，即，σC≠σY≠σW。定义σCYW为煤层、岩层和地下水共存体的发射率，则煤层、岩层和地下水共存体的玻尔兹曼辐射功率PCYW=σCYWKTCYW，这种辐射仅取决于煤、岩、水共存体物理温度TCYW和发射率σCYW，称之为煤岩水共存体本底辐射。

(1)若煤岩水共存体中岩层和地下水很少甚至可以忽略，而煤层为其主体成分时，则煤岩水共存体辐射变为煤层的辐射：PCYW≈PC=σCKTC

(2)若煤岩水共存体中煤层和地下水很少以至可以忽略，岩层为其主体成分时，则煤岩水共存体辐射变为岩层的辐射：PCYW≈PY=σYKTY

(3)若煤岩水共存体中煤层和岩层很少以至可以忽略，地下水为其主体成分时，煤岩水共存体辐射变为地下水的辐射：PCYW≈PW=σWKTW

干燥的煤、岩和地下水的发射率σ不一样，含水量不同的煤和岩的发射率σ也不一样，通过探测不同区域煤层、岩层和富水区因σ不同而产生的玻尔兹曼辐射功率P的差异，即可探测出被测区域的煤和岩及地下水的存在、尺度、方向等。

理论上，纯水无色透明，其发射率(σW≤0.1)接近于理想白体(σWH≈0)；煤是黑体，特别是纯石墨的发射率(σC≥0.9)接近于理想黑体(σB≈1)；岩石通常是灰色的，其发射率介于理想白体和理想黑体之间，σY在0.3～0.6之间。因此，在同一环境温度下，水的辐射功率要远小于煤的辐射功率，岩的辐射功率也小于煤的辐射功率，而射电辐射计的输出在线性段正比于接收到的辐射功率，因此，在本质上是双通道射电辐射计YST13.2矿用射电水探测仪的输出设备上，大致表现为：输出读数越小的区域代表地下水，输出读数越大的代表煤层，输出读数中间值代表岩层。

需要注意的是，处于地层高压下的地下水的行为和特征(水温、水压强、矿物质含量等)不完全相同于常温常压下的地面水。

3.4 折射等因素修正

井下射电测水在用三角测量确定局部地下水富集区的坐标时，必须注意下列3点。

3.4.1 斯涅尔定律修正 公式如下：

n1sinθ1=n2sinθ2

(3)

式(3)中：n1≈1，为空气电磁波折射率；θ1为入射角，θ2为出射角；n2≈1.55，为纯石英(SiO2)的光学折射率，且在很广的频率范围内维持不变，可近似认为硅基岩石(石英砂岩)的电磁波折射率为1.55；刚玉(Al3O2)的光学折射率n≈1.7，在很广的频率范围内维持不变，可近似地认为铝基岩石(非砂岩)的电磁波折射率为1.7。因此，可近似认为硅基岩石和铝基岩石混合组成的岩层的电磁波折射率为(1.55+1.7)/2≈1.62。

3.4.2 单层金属丝网的电磁屏蔽作用 公式如下：

(4)

式(4)中：f为频率，Hz；c为金属丝网距，m；a为金属丝半径，m。例如：网格为5 cm见方、粗5 mm的铁丝网，其c=50 mm，a=2.5 mm，f=5 MHz，SE≈54 dB，则只要辐射电平>-75 dBm就可以接收到，考虑到长波平面波的绕射、网口的二次辐射以及防护金属丝网铁丝的氧化锈蚀会导致等效网距增大，实际能接收到的辐射电平可以达到-90 dBm。

综上，可以利用无防护金属丝网的巷道平面，沿其巷道中线设置测点，旋转平板天线组进行含水点方位测定，计入非法平面投影修正，并计入斯涅尔定律修正，即可准确得到带防护金属丝网巷道的煤岩层内地下水的准确三角定位结果(黄福泉，2018a,b)。

4 结果验证及比较

4.1 上下巷射电定位法测水数据处理初步结果

(1)33个基点共4 880个数据，其中全功率法数据VP和调制法数据VM约各占一半,即各为2 440个数据。按照不同基点区分调制、全功率、俯仰角、方位角，列出33个表格并作图。

(2)在每个基点挑选VP值相对小的俯仰角及方位角列表。初选结果：上巷VP、∠α、∠β值82组，下巷VP、∠α、∠β值93组，共175组值，约占总数的7.1%。

(3)在AutoCAD图上标出上下巷各基点的VP、∠α值(图3)。以红、黄、绿、蓝、紫5种颜色分别表示60°、45°、30°、15°、0°这5个俯仰角(∠α)，根据初选结果，以5种颜色分别画出某一俯仰角度下的不同方位角(∠β)的线并标识其不同的VP值，即可得出图3；数据经处理后圈定4个含水区域12个含水点，根据水量大小给出排位前5的钻孔数据：钻孔位置、钻孔角度、钻孔长度(40～80 m)(李昭水等，2018)(图3、图4)。

射电测水钻孔验证结果见表2，位置及钻孔见图5。

图3 217工作面射电探水数据处理初步结果示意图

图4 217工作面射电探水数据处理初步结果(局部放大)示意图(图4为图3的局部，即图3中部黑色圆圈内3上217工作面及黑色圆圈左侧粗黑色箭头至上巷之间)放大，包括6＇#、6#、7＇#共3个测试基点； 6＇#测试基点的-50°线即红-1.625、7＇#测试基点的+40°线即红-0.551，两者交点-2.176即为YC4含水区)

表2 射电测水钻孔验证结果

图5 217工作面射电探放水4个钻孔平面示意图(217工作面射电定位法探测放水4个钻孔AutoCAD图的截图，用蓝点区标示5个含水区。其中，瞬磁法测出2个含水区YC1、YC3；射电定位法测出3个含水区YC2、YC4、YC5，相应钻孔为1号、4号与10号、5号，4个孔均见水)

4.2 瞬磁法与射电法比较及讨论

4.2.1 方法比较 山东七五煤矿3上217工作面顶板水探测同时使用了瞬态电磁法和射电辐射定位法，并对2种探测方法的测水处理结果分别进行了钻孔探放水验证。结果瞬态电磁法测出3个富水区，钻探7个孔皆未出水；射电定位法也测出3个富水区并直接给出了5个钻孔的位置(孔位、孔深、孔角)，按该数据钻探4个孔皆出水(3#孔因过于靠近联络巷而未钻)，探测定位钻孔准确率为100%。

4.2.2 讨论 山东七五煤矿3上217工作面煤层顶板水的最大出水量小于4～5 m3/h，一般在1 m3/h以下，属弱含水区。 瞬态电磁法在弱含水区探水敏感性及定位准确性方面均不如射电辐射法。

该工作面煤层顶板除常规铁丝网和铆杆外尚增加了“U”形钢板支撑，钢板宽约10 cm，间隔90～100 cm，从巷口到切眼、运输巷和轨道巷都有“U”形钢板支撑。对除铁丝网和铆杆外增加连续“U”形钢板或“工”字槽钢加固的煤层顶板水的探测而言，瞬态电磁法在抗金属干扰方面不如射电辐射法(李昭水等，2019)。

5 结 论

山东七五煤矿3上217工作面煤层顶板水的探测，是YST13.2型矿用射电水探测仪在国内第一次大规模工业现场应用，给出的3个富水区4个钻孔位置实际钻孔全部出水，且实际钻孔数据与计算的钻孔数据在孔位、孔深、角度一致，证明了射电定位法测水定位的有效性和准确性。

随着智能化射电测水仪的诞生，射电辐射测水在我国煤矿探放水方面大规模现场应用的前景广阔。

致谢

感谢枣庄矿务集团地测部及七五煤矿的大力协调、支持和配合。曾经在枣庄矿务集团高庄煤矿进行实验并得到谢瑞斌的指点，在此表示感谢。