基于電磁波層析成像技術(shù)的隱伏構(gòu)造區(qū)邊界判定

屈小兵，鮑俊睿

（1.山西潞安礦業(yè)集團東盛煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000；2.山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長治 046000）

在礦井實際生產(chǎn)過程中，由于回采工作面受地質(zhì)構(gòu)造及采動變化等各種因素制約，時常因前方隱伏構(gòu)造探測不明，導(dǎo)致水害、瓦斯、頂板等各種災(zāi)害威脅加重，降低回采效率，危及人身安全[1]。然而，將高頻電磁波傳播特性為基礎(chǔ)的層析成像技術(shù)應(yīng)用于礦井預(yù)測預(yù)報工作，對于陷落柱、火成巖入侵區(qū)、斷層延伸破碎帶等多種隱伏地質(zhì)構(gòu)造的精密探測有著重要的應(yīng)用價值[2-4]。

近年來，大量學(xué)者結(jié)合礦井實際問題以及各種干擾因素，對電磁波透視技術(shù)展開了大量研究，主要集中在以下幾個方面：電磁波CT 成像技術(shù)以及抗干擾的相對層析成像技術(shù)，此技術(shù)清楚地反應(yīng)了斷層的組合及交叉切割的相對關(guān)系[5-6]；頻域內(nèi)質(zhì)心頻移技術(shù)，此技術(shù)能夠重建并恢復(fù)具有衰減特性的空間分布，但要求電磁波信號的頻帶應(yīng)足夠?qū)挘员憧梢詰?yīng)用于各種頻率，這種技術(shù)不會受到任何因素的干擾，并且重建之后的圖像比起場強法更為精準可靠[7]；射機功率、發(fā)射頻率穩(wěn)定性以及接收機靈敏度、信噪比等各項性能的優(yōu)化改善，使電磁波信號更加穩(wěn)定，地層透視效果更加精準，滿足了不同介電常數(shù)、不同電阻率、不同規(guī)模、不同類型的多層地質(zhì)構(gòu)造的探測需求[8]。

以電磁波層析成像技術(shù)為手段對1303 工作面前方隱伏構(gòu)造進行探測，能夠精準確定工作面前方多種隱伏構(gòu)造的類型及影響范圍，為工作面過隱伏構(gòu)造的方案設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)，提高回采期間的作業(yè)安全。

1 工程概況

1303 工作面位于李村煤礦井田北部，工作面走向E18°S，工作面北部為設(shè)計1305 工作面，南部1302 工作面，西部為一采區(qū)大巷，東部為井田邊界。工作面開采煤層厚5～5.3 m，平均厚度5.1 m。該工作面總體地勢西南高東北低，總體呈一向東北傾的單斜構(gòu)造，傾角 3°～9°，工作面東部坡度較大，西部較緩。工作面掘進時揭露斷層FJ25（H=2 m ∠39°）、FJ27（H=1.8 m ∠75°）、FJ17（H=2.5 ∠51°）；在1303 進風(fēng)巷距離切眼320～360 m 處有1 處向斜。

當(dāng)工作面推進至切眼大約280 m 時，92#～123#架間頂板發(fā)生大面積冒頂現(xiàn)象，且掉落塊巖成分皆以堅硬砂巖為主，塊度大，硬度高，礦用破碎機無法破碎，現(xiàn)已對運轉(zhuǎn)設(shè)備及作業(yè)人員的人身安全造成嚴重威脅。為遏制破碎頂板的大面積垮落，進一步探明工作面前方煤壁中的其他隱伏構(gòu)造，特此采用無線電波對工作面前方區(qū)域進行坑道透視，以提高工作面回采期間的安全作業(yè)管理。

2 電磁波透視方法的確定

2.1 電磁波透視原理

無線電波坑透法是基于電磁波的發(fā)射、反射、折射及繞射原理，通過不連續(xù)介質(zhì)中的介質(zhì)體電性不同，以電磁波能量吸收量作為評判標(biāo)準，從而得出不連續(xù)構(gòu)造帶的巖性成分及構(gòu)造邊界線。采用無線電波進行坑道透視時，電磁波按照規(guī)定路徑傳播，當(dāng)傳播介質(zhì)發(fā)生變化后，傳播路徑會發(fā)生折射與繞射現(xiàn)象，通過對比能量的損耗與接收情況，能夠精準地判斷出電磁波傳播路徑發(fā)生偏移的界限點[9]。當(dāng)電磁波由低阻巖層穿過高阻巖層或由高阻巖層穿過低阻巖層時，電磁波同樣會發(fā)生能量的損耗，且低阻巖層對電磁波的吸收作用效果較好，通過電磁波信號的接受強弱，可以判斷出電磁波異常傳遞區(qū)的范圍以及傳播介質(zhì)發(fā)生變化后的構(gòu)造帶類型[10]。

2.2 發(fā)射點的布置

本次1303 工作面構(gòu)造帶采用定點法探測，這種方法不易出現(xiàn)差錯，且速度快、效率高，易于操作。采用定點法時，首先針對探測區(qū)域的巷道處選取合理的發(fā)射點，并按照發(fā)射間距將發(fā)射機固定于相應(yīng)的發(fā)射點處，在相對應(yīng)的巷道內(nèi)按照接受間距布置接收機，觀測并記錄每個發(fā)射點對應(yīng)接受范圍內(nèi)的場強值。選取發(fā)射點距50 m，接收點距10 m，每個發(fā)射點所對應(yīng)接受點數(shù)量為11～20 個，發(fā)射點與接受點對應(yīng)布置情況如圖1。

圖1 無線電波坑道透視定點法布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of radio wave tunnel perspective fixed point method

由于地下巖層構(gòu)造復(fù)雜，電磁波在地層中傳播時同時會受到工作面巷道的反射波、漫反射波，頂?shù)装鍑鷰r波以及煤層不均勻性影響等諸多二次場的干涉影響，導(dǎo)致實際得到的場強值為一次場與多組二次場的綜合值，異常傳遞區(qū)所表現(xiàn)出的陰影效果變得模糊，從而影響構(gòu)造邊界的判定。因為，為改善電磁波異常傳遞區(qū)的判定效果，電磁波工作頻率的合理選取至關(guān)重要，若頻率過高，則電磁波會受高阻巖層吸收作用較大，電磁波有可能無法穿過地質(zhì)異常區(qū)，若頻率較低，則由于存在一次繞射作用，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)被掩蓋，通用無法得到準確的地質(zhì)異常區(qū)范圍。根據(jù)1303 工作面的實際情況及現(xiàn)場測試，本次探測工作選取頻率為0.3 MHz的電磁波進行井下數(shù)據(jù)采集。

3 無線電波坑透法探測分析

3.1 無線電波坑透方案

本次坑道透視選取探測儀器為WKT-E 本質(zhì)安全型礦用防爆無線電波坑道透視儀，該套設(shè)備包含發(fā)射機、接收機、發(fā)射天線、接收天線以及地面充電器等多組配件，測量場強值由井下采集之后，可傳輸至計算機進行分析處理。

本次工作面無線電波探測工作以1303 工作面進風(fēng)巷與1302 工作面輔助回風(fēng)巷為探測巷，兩巷各布置探測長度1 150 m，其中1303 進風(fēng)巷布置發(fā)射點22 個，接收點242 個，1302 輔助回風(fēng)巷布置發(fā)射點22 個，接收點242 個，共布置電磁波發(fā)射點44個，每個發(fā)射點對應(yīng)場強接收點11 處，共計場強實測點484 個。

1302 輔助回風(fēng)巷：開口處為615#測點，向切眼方向每隔10 m 順序遞減，測點號為615#、610#、605#、…、至500#測點為止。

1303 進風(fēng)巷：開口處為115#測點，向切眼方向每隔 10 m 順序遞減，測點號為 115#、110#、105#、…、至 0#測點止。

按照李村煤礦1303 工作面的地質(zhì)特征，設(shè)計發(fā)射點間距為50 m，均勻布置于兩巷道。每個發(fā)射點按照接受范圍在對應(yīng)巷道中布置實測點11 處，1303工作面無線電波定點法測點布置圖如圖2。

圖2 1303 工作面無線電波定點法測點布置圖Fig.2 1303 working surface radio wave fixed point method measuring point layout

本次探測范圍內(nèi)背景場基本在5 dB 以下，實測場強值總體上在20～60 dB 之間，實測場強遠大于背景場，說明本次采集數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，但巷道電纜、開關(guān)以及屬器件對原始數(shù)據(jù)的采集和資料解釋存在有一定影響。

3.2 探測數(shù)據(jù)處理與分析

3.2.1 無線電波透視 CT 成像圖

將實際測得的場強值輸入透視系統(tǒng)專用軟件進行處理分析，得到的1303 工作面無線電波透視CT成像圖如圖3。通過分析CT 成像圖中的場強衰減情況，將小于-5 dB 劃為異常，由此可得到4 處探測異常區(qū)，其中第1 處異常區(qū)距離開口較近，位于592#～607#測點之間，該異范圍較大，異常反應(yīng)在595#發(fā)射點處相對較強；第2 處異常區(qū)位于25#～40#測點之間，綜合礦井地質(zhì)資料及現(xiàn)場探查情況分析，推測為1303 進風(fēng)巷揭露斷層FJ25向工作面延伸的反映，但不排除該范圍內(nèi)存在其他隱伏構(gòu)造的可能；第3處異常區(qū)位于513#～521#測點之間，異常范圍相對較小，根據(jù)巷道掘進過程中揭露情況分析，推測可能為揭露斷層FJ17向工作面內(nèi)延伸的反映。第四處異常區(qū)位于切眼處，在0#～10#測點之間，根據(jù)現(xiàn)場勘查情況分析，該異常區(qū)為工作面回采塌陷區(qū)。因第4處異常區(qū)為工作面回采塌陷區(qū)，不屬于工作面前方未探明隱伏構(gòu)造，因此不作分析。

圖3 1303 工作面無線電波透視CT 成像圖Fig.3 1303 working face radio wave perspective CT imaging

3.2.2 主要異常區(qū)的綜合曲線圖

在分析場強綜合曲線圖時，若出現(xiàn)實測場強變化曲線與對應(yīng)的理論場強變化曲線差異較大，則表明此范圍內(nèi)的場強衰減比例較大，電磁波能量吸收較強，也就是存在著地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。對實測場強值數(shù)據(jù)進行整理分析，繪制的3 處隱伏構(gòu)造探測異常區(qū)的場強值綜合曲線圖如圖4～圖6。

圖4 第1 處構(gòu)造異常異常區(qū)實測場強綜合曲線圖Fig.4 The first comprehensive anomaly area

圖5 第2 處構(gòu)造異常異常區(qū)實測場強綜合曲線圖Fig.5 The second comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves

圖6 第3 處構(gòu)造異常異常區(qū)實測場強綜合曲線圖Fig.6 The third comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves

1）發(fā)射點 90#～105#、590#～605#發(fā)射點對應(yīng)的綜合曲線如圖4，場強與理論場強值均存在一定差值，而595#、95#、100#發(fā)射點對應(yīng)的綜合曲線圖，實測場強值與理論值差異相對較大，反映出來的異常相對明顯，衰減系數(shù)達到-20，說明該范圍內(nèi)存在一定地質(zhì)異常，綜合巷道成巷時的揭露情況可推測此區(qū)域可能屬于煤層破碎帶或?qū)娱g斷層。

2）發(fā)射點 525#～540#、25#～40#發(fā)射點的綜合曲線如圖5。實測場強與理論場強存在一定差值，其中530#、535#、30#、35#發(fā)射點處的實測場強與理論場強差值較大，場強曲線呈鋸齒狀分布，推測該范圍內(nèi)存在地質(zhì)異常，結(jié)合李村煤礦礦井地質(zhì)探測資料與工作面揭露狀況可以得到，此區(qū)域可能為FJ25斷層帶的延伸反應(yīng)。

3）發(fā)射點 510#～520#、10#～20#發(fā)射點的綜合曲線如圖6。實測場強與理論場強存在一定差值，但實測場強與理論場強值相差較小，綜合1306 備用工作面地質(zhì)資料，推斷此區(qū)域可能為FJ17斷層的延伸反應(yīng)。

3.3 探測結(jié)果

本次1303 工作面無線電波探測報告，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸、編輯、巷道繪制、測點布置、CT 多重計算、參數(shù)校驗等多個步驟，最終得到無線電波坑透綜合曲線圖及CT 掃描成果圖。

根據(jù)分析本次坑透試驗的實測場強曲線值變化特征與吸收系數(shù)CT 成像圖，為擴大地質(zhì)異常區(qū)的探測范圍，將分貝小于-5 dB 的區(qū)域劃定為地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。本次坑透探測共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常區(qū)3 處，可將其編號為 YC1、YC2、YC3。

1）YC1異常。異常區(qū)距進風(fēng)巷開口161～353 m，輔助回風(fēng)巷161～353 m，沿工作面走向影響范圍約為193 m，異常范圍相對較大，推測該異?？赡転槊簩悠扑閹Щ?qū)娱g斷層的反映，對工作面的回采影響相對較大。

2）YC2異常。異常區(qū)距進風(fēng)巷開口847～960 m，輔助回風(fēng)巷873～980 m，沿工作面走向影響范圍分別為134 m，推測可能為FJ25斷層向工作面內(nèi)延伸的反映，但不排除存在其他隱伏構(gòu)造的可能。對工作面的回采影響相對較大。

3）YC3異常。異常區(qū)距輔助回風(fēng)巷1 024～1 105 m，沿工作面走向影響范圍約為81 m，推測可能為FJ17斷層向工作面內(nèi)延伸的反映，若為FJ17斷層向工作面內(nèi)延伸，延伸距離可能為76 m 左右，對工作面的回采有一定影響。

4 結(jié) 論

1）通過電磁波衰減層析成像原理對1303 工作面進行探測，共完成測點484 個，發(fā)射點44 個；共發(fā)現(xiàn)無線電波透視異常區(qū)3 處，分別為煤層破碎帶或?qū)娱g斷層的反映（YC1）、FJ25斷層向工作面內(nèi)延伸的反映（YC2）、FJ17斷層向工作面內(nèi)延伸的反映（YC3）。

2）結(jié)合工作面現(xiàn)推進位置，揭示了工作面92#～123#架間頂板發(fā)生大面積冒頂?shù)母驹蚴荈J17斷層向工作面內(nèi)延伸的反映。

3）確定了3 組透視異常區(qū)所存在的隱伏構(gòu)造類型及影響范圍，為李村煤礦1303 工作的安全回采提供了可靠的理論依據(jù)。