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晋东南办事处 施劲松
1 地质概况与任务1.1 地质概况
3301回采工作面位于兰花集团三盘区，为三盘区首采工作面，工作面所采煤层为3号煤，煤层厚度6m左右，直接顶为粉砂岩，厚约2.2m；直接底为泥岩，厚约2.10m，见综合柱状图1-1。该回采工作面走向长约1910m，切眼长215m。
图1-1 综合柱状图
①为了进一步探查3301回采工作面内地质构造和其他地质异常体的赋存情况，本次采用无线电波透视技术进行探测，为该回采工作面安全、高效回采提供有效的技术依据。
②验证YDT88矿用无线电波透视仪在工作面未停电、信噪比较低的情况下对地质异常的感应程度及稳定性。
2 无线电波透视法简介
2.1 无线电波透视法基本原理
电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量吸收不同，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，也造成能量的损耗。因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释。
2.2 无线电波透视方法
2.2.1 透视工作方法
井下坑透法一般在两巷道间进行，如在回风巷布置发射点，向煤层中发射某一频率的电磁波，在运输巷安置接收机观测电磁场场强信号，电磁波在煤层传播中遇到介质电性变化时，电磁波被吸收或屏蔽，接收信号显著减弱或收不到有效信号，如沿巷道多点观测，则形成所谓的透视异常。发射点和接收点可布置在回风巷、运输巷等易于通行和干扰小的地段。
本次井下探测（观测）方法为定点法，定点法是发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在相邻巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值。又称定点交会法。一般发射点距50m，接收点距10m。每一发射点，接收机可相应观测11～21个点。如图2-1所示。
图2-1 无线电波坑道透视定点法发射与接收范围示意图
（1）在观测前，预先安排好观测约定时间顺序，列出时间表格，发射和接收各持一份；
（2）观测时，严格按时间表执行，发射机天线应平行巷道，悬持成多边形，应保持发射信号稳定；
（3）接收天线环面对准发射机的方向，即观测最大值方向。
2.2.2 使用仪器及工作频率
地下电磁波衰减的透射异常区（“阴影”区）并非单由一次场的吸收所形成的，而且还受很多其它因素的影响。如感应二次场引起的干涉、煤层（或岩层）的不均匀性和各向异性、直达波、巷道的反射及漫反射波，以及煤层顶底板的围岩波等。所以观测场强值可能是几种波的综合值。结果使“阴影”变得模糊，以至于不能准确判定异常体位置，因此，选择最佳工作频率是很关键的。频率过高，即使是高阻的岩石也会产生明显的吸收作用，结果很可能不能突出要寻找的地质异常体的“阴影”区。而地质异常体的围岩却形成了“阴影”区；如果频率过低，则由于一次绕射作用，使得要寻找的地质异常体可能被掩盖。为了得到明显的“阴影”区，必须选择最佳的工作频率。
本次无线电波透视工作采用YDT88矿用无线电波透视仪，发射机和接收机为矿用本质安全型。综合该工作面所采煤层赋存地质条件及切眼宽度，本次探测选用158KHz频率。
2.2.3 仪器设备
本次勘探使用YDT88矿用无线电波透视仪，YDT88矿用无线电波透视仪是由福州华虹智能科技股份有限公司联合相关高校院所，引进先进的数字通信调制、高速采集、嵌入式系统等技术开发完成的新一代无线电波透视仪。该仪器具有轻便灵活、智能高效、透视距大、抗干扰能力强、续航时间长等特点。同时基于仪器所形成的“一发双收”“一发一收”等现场工作方法，极大提高现场施工效率和探查精度。图2-2为YDT88矿用无线电波透视仪系统组成图。
图2-2 YDT88矿用无线电波透视仪系统组成图
巷道中的人工导体，对电磁波的传播起干扰作用，但不同的导体对电磁波传播的影响不同。
（1）金属支架，对电磁波有少量的屏蔽吸收作用。
（2）接地的铁轨、电溜子，对电磁波有一定的导引作用。存在二次场，实际观测中发现在铁轨附近，场的梯度较大，二次场的影响范围在0.8m以下，故接收天线环距铁轨、电溜子高于1m，二次场的影响可忽略比计。
（3）悬挂在巷道壁上铁管的二次场的强弱，与距发射点的远近有关，在铁轨不连通的情况下，二次场很弱，接收天线环离开1m，影响可忽略不计，同巷发射接收，二次场的干扰，仅次于电缆干扰强度。
（4）电缆、金属锚网及其它导体，对电磁波有很好的导引作用。天线辐射的电磁波感应到导线上沿着导线传播，成为电磁波的二次辐射源。接收巷道有导线时，天线接收的场，有从煤层来的直达波和导线上的二次辐射场，当二次辐射场大于直达波时，它就掩盖了直达波，使透视工作无法进行。
2.3 资料整理与解释
2.3.1 场强对比法
通常用图示方法来描述沿观测巷道或在透射范围内场的变化规律。
综合曲线图：将同一发射点对应接收点的实测场强H值、理论场值H0值和衰减系数η值按给定比例尺绘制成剖面图。以接收点点位为横坐标。
交会平面图：在采区平面工程图上，标定各发射点和对应的接收点。根据综合曲线确定边界点，将该点与对应的发射点连线，于是由不同发射点所对应的接收点绘出相应的边界射线，各射线所围定的范围便为异常体的平面位置。如图2-3所示。
图2-3 无线电波透视交会法解释示意图
工作面电磁波透视法采用偶极子天线发射，在介质中任意点的磁场表达式可 表示为：
式中：
—决定于发射功率和天线周围介质的初始场强；
—介质对电磁波能量的吸收系数；
—观测点到辐射源的直线距离；sinθ—方向性因子，一般可认为等于1。
如图2-4 所示，把坑透工作面划分成有不同吸收系数的若干小单元(像元)，每一小单元内可视为介质均匀的。假设电磁波的第i个传播路径为ri，则它可以表示为若干小单元的距离之和：
，对没有射线穿过的小单元，可视dij=0，于是公式变成：
两端取对数有：
若在多个发射点上对场强分别进行多重观测，便可形成矩阵方程：
[X ] [D ]= [Y]
式中：[X ]——
未知数矩阵；[D ]——
系数矩阵；[Y]——已知数矩阵，即实测值。利用SIRT 算法(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques，同时迭代重构技术)，计算矩阵方程可以反演各像元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系统反演成像。利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。
图2-4 坑透CT成像单元离散示意图
现场数据采集于2014年3月18日-19日完成。在进风巷共布置21个发射点，对每个发射点在回风巷接收11个实测场强值；在回风巷布置21个发射点，对每个发射点在进风接收11个实测场强值。其中发射点间距为50m，接收点间距10m。
3.1 现场观测系统布置
根据探测目的和现场实际情况，本次探测分两段进行，第一段长440m，第二段长1080m，切眼宽215m。采用无线电波透视技术在进风巷、回风巷内分别发射和接收。现场布置图如图3-1所示。
图3-1 无线电波透视法现场探测布置
为了采集到高质量的第一手资料，现场采取如下技术措施：
1．本次坑透工作在采面内采用一发一收，每10m一个接收点，即一个物理测点，每50m布设一个发射点。
2．对应每个发射点，在另一巷的扇形对称区间接收11个点，以确保面内各物理测点有两次以上的覆盖。
3．天线离开电缆0.5m以上。
4．检查点不少于5%。
本次数据采集严格按照计划施工，作好记录并标注出实际发射时间和实际接收时间。为确保原始资料质量，施工严格按照“煤田电法勘探标准”进行，检查点不少于5%的要求，原始资料质量相对可靠。
由于施工时现场未停电，本次所采集数据实测场强值总体上在40~70db，最小值36db。从实测数值来看，进风巷背景测试值较高，在40db左右，回风巷背景场测试值较低，在25db左右，与最高场强值相比，有一定的变化范围，说明本次采集数据进风巷信噪比较低，回风巷信噪比相对较高。
4 探测结果
本次矿用无线电波透视仪采集的数据用无线电波透视CT软件进行反演，反演结果以实测场强曲线图、实测场强分布图和SIRT法反演（CT成像）图表示。实测场强分布图中数值大小用不同色标值表示，其中暖色调为高场强值，冷色调为相对低场强值；SIRT法反演CT成像图为煤岩层电磁波吸收系数值图，数据值大小用不同色标值表示，其中冷色调为低电磁波吸收系数值，暖色调为高电磁波吸收系数值。
4.1 无线电波透视实测场强值曲线图
YDT88矿用无线电波透视仪探测实测场强曲线图见由附图1，由此可见：
1）距一切眼停采线252m—339m区段场强信号衰减趋势很明显，最低值达到10DB以下，与穿透正常煤层时的场强信号差异大。这种现象表明，该探测区段煤岩层对无线电波的吸收性强；
2）距一切眼停采线1020m—1114m区段场强信号衰减明显，最低值达到20DB以下，与穿透正常煤层时的场强信号差异大。这种现象表明，该探测区段煤岩层对无线电波的吸收性强；
3）距一切眼停采线1477m—1605m区段场强信号相对较低，在35DB左右，与穿透正常煤层时的场强信号差异相对明显。这种现象表明，该段煤岩层对无线电波的吸收性相对较强。
4.2 无线电波透视实测场强分布图
YDT88矿用无线电波透视仪实测场强分布图，见附图2，其中蓝色调区越深表明其场强值越低，即该段煤层无线电波穿透能力弱，为潜在的构造异常区。图中各段情况反映结果与实测场强曲线结果基本一致，在此不再赘述。
4.3 无线电波透视SIRT反演吸收系数（CT成像）图
YDT88矿用无线电波透视仪SIRT反演吸收系数(CT)成像图，见附图3，该图中吸收系数的强弱表明煤岩层介质的差异，图中暖色色标表示强吸收系数值，其暖色越深表示存在异常的可能性越大，因此可以对内部构造及其特征进行判定。
5 结论与建议
根据YDT88矿用无线电波透视仪探测实测场强曲线值变化特征和岩石吸收系数CT成像图综合分析，得出探测区地质解释如附图4所示，有3个透视异常区（图中圈定范围），对线状的异常区中心位置进行了标识并加以分析。横坐标以回风巷第一停采线位置为原点，向工作面切眼方向为正方向；纵坐标以第一停采线与与回风巷交叉点为原点，向进风巷方向为正方向。
5.1 结论
据实测场强值变化特征和SIRT反演吸收系数（CT成像）图综合分析，本工作面主要有3个探测异常区，各个异常区探测结果见下表5-1所示。
表5-1 探测解释异常区特征分析
（1）针对本次探查的3个异常区，建议矿方在工作面回采前，采取钻探等手段进一步排查，工作面回采过程中接近各个异常区时要做好顶板管理及瓦斯监测，同时做好过地质构造异常区的防治水工作，完善工作面排水系统，确保工作面高效安全回采。
（2）工作面进行无线电波透视应在工作面刚形成、巷道施工条件较好、矿方协调停电的情况 下进行，以保证数据质量，提高对地质异常预测预报的准确性。
（3）通过本次探测结果与实际揭露情况分析，对同采区3#煤层进行无线电波透视工作时可适当将探测频率提高至365KHz，在保证信号有效的前提下提高对地质异常体的分辨率。
（4）矿方应加强工作面地质调查及地质预报工作；回采过程中对出现的地质异常详细记录，及时进行动态解释，通过实际探采对比，进一步提高资料解释的精度。
（5）本报告未尽事宜，请参照《煤矿安全生产规程》等相关制度确保矿方安全生产。
附图
附图1 YDT88矿用无线电波透视仪实测场强曲线图
附图2 YDT88矿用无线电波透视仪实测场强分布图
附图3 YDT88矿用无线电波透视仪SIRT反演图
附图4 YDT88矿用无线电波透视仪探测地质异常解释图
附图2 YDT88矿用无线电波透视仪实测场强分布图
附图3 YDT88矿用无线电波透视仪SIRT反演图
附图4 YDT88矿用无线电波透视仪探测地质异常解释图
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