電磁波在煤層中的傳播規(guī)律與應(yīng)用

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 蘇園鵬

電磁波在煤層中的傳播規(guī)律與應(yīng)用

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電磁波在空氣介質(zhì)和均勻各向同性介質(zhì)中傳播規(guī)律與煤層工作面中傳播規(guī)律差別很大。電磁波在煤層工作面?zhèn)鞑ナ艿礁鞣N不同因素的影響，其中煤巖混合層介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收較強(qiáng)。煤層工作面電磁波穿透探查應(yīng)用表明：電磁波在煤層工作面中的透視異?？梢詫?duì)煤層中的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行定性和半定量解釋，為礦井高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

電磁波；煤層工作面；傳播規(guī)律

0 引言

煤礦中煤層工作面開采過程中，通常需要對(duì)工作面內(nèi)煤層賦存條件進(jìn)行探查，預(yù)先對(duì)影響安全生產(chǎn)的大的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行判斷與預(yù)報(bào)［1］。目前，利用一定頻率的電磁波穿透煤層工作面，根據(jù)電磁波所攜帶的信息，主要包括能量、頻率等特征變化，來(lái)分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的變化。這一方法為礦井工作面電磁波透視應(yīng)用技術(shù)，它主要包括基本理論研究、儀器設(shè)備使用、數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)與工作方法、數(shù)據(jù)處理與成像理論、異常解釋和應(yīng)用等內(nèi)容，其中對(duì)于介質(zhì)中電磁波的傳播特征規(guī)律分析至關(guān)重要。因?yàn)榈V井為一種特殊環(huán)境，電磁波在地下介質(zhì)中遠(yuǎn)比空氣介質(zhì)中傳播復(fù)雜得多，論文利用現(xiàn)有的儀器設(shè)備對(duì)其傳播特征進(jìn)行了分析研究，為工程應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 電磁波在煤層介質(zhì)中的傳播

磁場(chǎng)在煤層中分布較為復(fù)雜。首先，任何形態(tài)的電磁波從一種媒質(zhì)到另一種媒質(zhì)的界面上時(shí)，均要產(chǎn)生反射和折射，反射和折射情況視兩種媒質(zhì)的特性而定。無(wú)線電波透視中電磁波由空氣介質(zhì)傳播到煤巖介質(zhì)，再由煤巖介質(zhì)傳播到空氣介質(zhì)中被接收設(shè)備接收。

其次電磁波在均勻各向同性介質(zhì)中傳播沒有遇到兩種媒質(zhì)界面，不會(huì)產(chǎn)生反射和折射。由于煤層頂板和底板與煤層是不同的媒質(zhì)，電磁波在傳播過程中遇到煤層頂?shù)装褰缑鏁r(shí)，電磁波同樣會(huì)產(chǎn)生反射和折射。

最后電磁波在煤層中傳播，其強(qiáng)度、相位大小直接與煤、巖電阻率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)有關(guān)［2］。煤的變質(zhì)程度對(duì)其電阻率有決定性的影響。在成煤過程中，隨著煤化作用的進(jìn)行，煤的變質(zhì)程度增高。煤的含炭量逐漸增多，揮發(fā)份減少，煤的電阻率也相應(yīng)的減小。另外，煤與其它巖層一樣其電阻率與濕度的關(guān)系密切，煤層及其頂?shù)装鍘r層中部分含有一定的水分。水溶解了煤和頂?shù)装鍘r石的礦物質(zhì)，呈一種帶極性分子的溶液存在于煤層及巖層空隙中，為離子導(dǎo)電物質(zhì)，因此對(duì)電阻率影響很大。水分越高，濕度越大，則電阻率變小，電磁能量的衰減增大。

圖1對(duì)電磁波在地面空氣介質(zhì)、井下空氣介質(zhì)以及煤層中傳播隨距離的衰減特征進(jìn)行比較，其中圖1（a）為965KHz和365KHz兩種頻率電磁波在空氣中實(shí)測(cè)的衰減曲線，圖1（b）為365KHz頻率電磁波在純煤層介質(zhì)和煤巖混合層中實(shí)測(cè)電磁波穿透時(shí)衰減曲線?？梢钥闯鼍孪锏乐须姶挪▊鞑ナ芙饘俚雀蓴_衰減特征有差別，而煤巖混合層對(duì)電磁波的吸收較厲害，其原因是煤層中存在結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化時(shí)，巖層對(duì)電磁波的吸收較強(qiáng)，其衰減更快，特征更為明顯，這為煤層構(gòu)造工程測(cè)試應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

圖1 電磁波傳播規(guī)律曲線圖

圖2 實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布及對(duì)應(yīng)構(gòu)造分析

2 煤層電磁波透視應(yīng)用

電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對(duì)電磁波能量吸收不同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射，也造成能量的損耗［3］。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構(gòu)造時(shí)，波能量被吸收或完全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號(hào)或收不到透射信號(hào)，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構(gòu)造及地質(zhì)體對(duì)電磁波的影響所造成的各種透視異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷和解釋，這就是煤層電波透視的應(yīng)用原理［4-6］。

圖2為應(yīng)用f=365KHz的電磁波對(duì)某煤層工作面穿透的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布結(jié)果圖。探測(cè)中根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在機(jī)巷共布置14個(gè)發(fā)射點(diǎn)，對(duì)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)在風(fēng)巷接收21個(gè)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值；在風(fēng)巷布置14個(gè)發(fā)射點(diǎn)，對(duì)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)在機(jī)巷接收21個(gè)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值。其中發(fā)射點(diǎn)間距為70m，接收點(diǎn)間距10m。根據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)值變化特征分析，可以獲得整個(gè)煤層中存在幾個(gè)穿透異常區(qū)，即1號(hào)異常區(qū)位于20～250m，為斷層影響區(qū)；2號(hào)異常區(qū)位于400～480m，為隱伏斷層影響區(qū)；3號(hào)異常區(qū)位于920～1100m，為斷層影響區(qū)。工作面已經(jīng)回采完，1號(hào)和2號(hào)異常區(qū)已經(jīng)回采驗(yàn)證與探測(cè)異常區(qū)位置吻合。

3 結(jié)論

（1）在均勻各向同性介質(zhì)中磁場(chǎng)分布是理想的，而電磁波在煤層中傳播會(huì)受到不同介質(zhì)和煤層頂?shù)装鍘r性的影響。

（2）通過應(yīng)用實(shí)例說明該技術(shù)適用探測(cè)采煤工作面內(nèi)部煤層變薄帶、斷層影響區(qū)等地質(zhì)條件，但目前僅能進(jìn)行定性解釋，因此，需要結(jié)合電磁波衰減特征加強(qiáng)解釋特征研究。

［1］任來(lái)平，趙俊生，侯世喜.磁偶極子磁場(chǎng)空間分布模式［J］.海洋測(cè)繪，2002，22（2）：18-21.

［2］吳艷青.地下電磁波探測(cè)及應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2002.

［3］李丹，韓德品，石亞丁 等.采煤工作面順煤層透視的電法探測(cè)方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（8）：1336-1340.

［4］閻海珠，戚春前，趙勝利.復(fù)雜地質(zhì)條件下無(wú)線電波透視技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤田地質(zhì)，2004，16（6）：58-60.

［5］李煥民.無(wú)線電波透視技術(shù)在工作面構(gòu)造煤探測(cè)中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（3）：100-102.

［6］肖玉林.無(wú)線電波透視快速勘探技術(shù)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)煤田地質(zhì)，2010，22（4）：65-68.

蘇園鵬（1985—），安徽馬鞍山人，碩士，助理工程師，現(xiàn)就職于天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司。