YDT88无线电波透视仪在地质异常体探测中的应用

杨高峰，卫金善，杨新亮，窦文武

(山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006)

0 引言

受多期次构造运动叠加影响，华北石炭二叠系煤田地质条件复杂。煤矿回采工作面常因未能提前查清陷落柱、断层等地质异常体而导致减产、停产、甚至重新布置工作面，严重制约矿井安全高效生产[1-2]。当前，用于探测回采工作面地质异常体的物探技术主要有地面三维地震法、井下无线电波透视法和槽波地震法等，其中尤以无线电波透视法最为广泛使用[3-5]。前人通过无线电波透视技术对回采工作面内陷落柱、隐伏断层、冲刷带、煤层破碎带等地质异常体进行了探测，有效指导了安全回采[6-8]。随着生产工艺改进，回采工作面设计宽度逐渐增大，如此则导致无线电波透视施工时电磁波不能有效穿透煤层，致使物探结果不能准确反映地质异常体发育特征。低频率、大透距无线电波透视仪的研发与应用成为解决这一问题的关键。有学者通过优化探测工艺、降低发射频率、改变接收天线大小形状等方式对大面宽回采工作面进行探测[9-11]，一定程度上提高了探测精度。

以山西晋煤集团某矿4308回采工作面为研究对象，通过YDT88无线电波透视仪对其内部地质异常体发育情况进行探测，并结合实际回采验证情况，以期明确该仪器在大面宽回采工作面地质异常体探测中的可行性，并为晋城矿区其他回采工作面地质异常体探测提供一定借鉴。

1 回采工作面探测

1.1 工作面概况

4308回采工作面由43081巷、43082巷及切眼圈定，走向长1 520 m，倾向宽300 m，回采煤层为二叠系山西组3号无烟煤，煤层结构简单，煤厚4.8～5.6 m。工作面整体为一倾向北西的单斜构造，受东部区域构造晋获断裂带控制，该工作面地质异常体发育。圈定过程中两顺槽曾揭露断距1 m以下小型断层5条、断距6 m以上断层1条、43081巷曾揭露1个陷落柱，强行割矸距离为55 m。由此可见，为保证该工作面安全高效回采，须对其内部地质异常体发育情况进行精细化探测与分析。

1.2 探测方案

无线电波透视技术原理：电磁波在地下岩层中传播时，由于岩层电性不同，它们对电磁波能量吸收有一定差异，电阻率低的岩层具有较大的吸收作用。另外地质异常体的界面会对电磁波产生折射、反射等作用，致使电磁波能量衰减和损耗。因此，如果在电磁波穿越煤层的途径中，遇到与煤层电性不同的陷落柱、断层等地质异常体，电磁波能量就会被其吸收或完全屏蔽，信号显著减弱，形成透视异常。通过对透视异常进行分析，即可获得地质异常体发育特征[12]。

探测频率：电磁波在煤层中的透射距离与其频率有关，频率高，透射距离小，频率低，则透视距离大。YDT88无线电波透视仪内设88 K、158 K、365 K、965 K这4种工作频率，透距0～350 m。为了突出“透视异常”，考虑工作面规模和产状，采用158 kHz 作为电磁波激励频率。

测点布置：如图1所示，本次探测采用一发一收式的定点法。首先于43081巷布置发射天线，43082巷布置接收天线，由切眼向巷口方向依次发射和接收。通常发射测点间距为50 m，接收测点间距为10 m，为实现对地质异常体的精细探测，本次设计发射测点间距为40 m，接收测点间距为5 m。单条顺槽发射测点37个，各发射测点均对应17个接收测点，单次发射接收合计获取629个场强数据。43081巷完成发射工作后，调换发射天线和接收天线，在43082巷发射电磁波，43081巷进行数据采集，两顺槽共获取1 258个实测场强值。

图1 4308工作面无线电波透视射线示意

干扰排除：电力干扰直接影响电磁波的传播，进而影响实测场强数据的真实性。因此，根据发射接收测点数量和顺槽长度，结合以往施工经验，施工时需确保工作面周边停电至少180 min。此外，施工选在掘进配套设备全部退出而回采设备未安装期间进行，尽量减少铁器对电磁波的干扰。

2 数据分析及验证

2.1 数据分析

工作面场强吸收系数计算：层析成像技术是医学CT的延伸，在无线电波透视数据处理中应用广泛。它基于工作面不同介质对电磁波的吸收差异，通过数学算法反演各介质单元吸收系数，最终以图像形式直观展现各种地质体的发育特征[13]。

根据电磁波理论，耗散介质中的电磁波发射的场强H0与接收到的场强HP存在下述关系

(1)

式中，β—吸收系数；r—发射点与接收点之间的距离；f(θ)—方向性因子。β与介质对电磁波的吸收能力有关。一般来说，β值越小，介质对电磁波的吸收越弱；反之，β值越大，介质对电磁波的吸收就越强。

由(1)式可得

(2)

式中，dr—发射点与接收点之间电磁波射线上的射线微元；Q—在接收点观测到的电磁波场强变化值。对(2)式进行离散化，得到第i个观测点的线性方程

(3)

式中，βj—反映介质中第j个网格的电磁波波场吸收系数；rij—与第i个观测点对应的第i条电磁波射线在第j个网格单元中的射线长度；Qi—第i个观测点的观测值。对于所有的发射点和接收点，可以得到一个线性方程组

RX=Q

(4)

式中，R—射线元组成的m×n维的大型稀疏矩阵；X=(β1，β2，…，βm)T，反映了介质中电磁波波场吸收程度(吸收系数)；Q=(q1，q2，…，qn)T，为接收点电磁波场强变化的观测值；n—电磁波射线总数，m为网格单元总数。

求解大型稀疏矩阵的线性方程组(4)，即可获得反映电磁波波场在介质中的吸收程度图像，进而可以了解介质的物理性质。采用并行迭代的SIRT方法，即当所有投影数据都计算分配完后，才对网格单元图像函数进行更新。这样可以消除某些干扰因素，增强抗干扰性。其一般计算公式为

(5)

吸收系数CT成像：在获取工作面各单元吸收系数值后，借助Surfer软件插值功能实现工作面吸收系数CT成像。由图2可知，4308工作面煤层完整区场强吸收系数为0.01～0.03，但同时存在4处高值异常，其吸收系数均大于0.03；初步分析认为，自切眼向巷口方向150～200 m(YC1)、600～750 m(YC2)、950～1 050 m(YC3)及1 300～1 520 m(YC4)处存在地质异常体。

图2 4308工作面场强吸收系数CT图

顺槽实测场强曲线：YDT88无线电波透视仪在158 kHz频率工作时，其初始场强为143.74 db，传播过程中受煤层等地质体吸收，正常区域实测场强值在33～52 db之间。同时，与场强吸收系数CT图中高值异常区大体相对应位置同样出现4处低值异常，如图3所示，其场强值均低于30 db。其中YC1表现为43081巷5号发射点对应的17个接受测点场强值整体较低，而周边测点场强值均差异不大，近似连续变化。经核实施工现场，该处存在一部未及时撤出的皮带机头及若干托辊，据此分析YC1为铁器干扰引起的假异常，该处不存在地质异常体；YC2和YC3场强值大部分低于13db，但YC2场强值整体较YC3更低，两异常区内多个接收测点出现零值，曲线形态亦呈陷落柱典型的“V”字形[14]，43081巷在该区域曾连续揭露2个陷落柱，由此推断2处异常为陷落柱发育响应所致，且YC2处陷落柱规模较YC3处陷落柱要大；YC4场强曲线整体呈阶梯型锯齿状，为隐伏断层响应特点，结合43082巷实际揭露断层特征分析，该异常为断层发育区域，同时不排除异常区内伴生次级断层，断层沿顺槽方向影响范围为1 300～1 520 m。

图3 顺槽实测场强曲线

2.2 验证情况

4308工作面回采过程中在物探异常区内实际揭露3个陷落柱和2条断层，如图4所示。陷落柱X1和X2沿工作面走向集中发育，位于距切眼610～740 m处，二者对应YC2。X1平面近似圆形，直径70 m。X1平面近似椭圆，轴向NNE，长轴180 m，短轴40 m；陷落柱X3平面呈不规则形状，位于距切眼970～1 050 m处，对应YC3；断层F1、F2对应YC4，其沿顺槽方向影响范围大致为1 320～1 500 m，其中断层F1由43082巷掘进揭露，断距6 m，F2断层为其伴生小型断层，断距2.3 m；在分析解释的假异常YC1处煤层发育完整，未发现地质异常体。由此可见，实际揭露情况与数据分析解释结果有较好的对应关系。

图4 4308工作面实际揭露地质异常体示意

3 结论

(1)YDT88无线电波透视仪在158 kHz频率下工作时透射距离大，性能稳定，可通过加密收发测点的方式实现对300 m宽工作面内部地质异常体的有效探测。

(2)4308工作面煤层完整区场强吸收系数为0.01～0.03，实测场强值在33～52 db之间。可通过场强吸收系数CT图和场强曲线对其内部地质异常体发育范围及性质做出定性判断，有效指导矿井安全回采。

(3)通过加密收发测点增加数据采集密度，一定程度上可以提高无线电波透视法对地质异常体的探测精度，但当地质异常体在工作面走向集中发育或倾向互为遮挡时，仍难以作出准确分辨，需采取其他手段进一步提高探测精度。