摘 要：查明工作面内部地质构造发育情况，能够有效提高回采工作效率与煤炭资源回采率，同时为生产工作提供技术依据，无线电波透视技术能够有效探测出工作面内部一定规模的地质造发育情况，且具备科学的理论基础与可靠的应用效果。本文简要介绍了该技术的基础理论、施工方法、数据处理方法，并通过应用实例效果充分说明，无线电波透视技术能够有效的探测回采工作面内部具有一定规模的断层、火成岩等地质构造发育情况，对于规模较小、不在煤矿要求探测精度之内的地质构造，如落差小于1/3煤厚的断层等，如果独立发育则探测效果不明显，但如果多个小构造集中临近发育，该技术同样能够探测出构造影响范围。
关键词：无线电波透视技术；回采工作面；地质构造；CT成像技术
1 引言
     回采工作面内部地质构造长期以来一直严重影响着煤矿井下煤炭回采工作，特别是在现今煤炭资源开采趋于机械化开采、深部开采的情况下，地质构造愈发复杂，影响程度也愈发严重，其影响主要体现在对安全与技术方面的影响，从对安全影响角度讲，地质构造往往是水体的导通通道，特别当地质构造连通富水采空区、富含水层等时，如果回采到该位置而且未采取安全措施时，在应力结构发生破坏区，往往会发生透水事故，造成严重的生命、财产威胁，同时，地质构造也是主要的瓦斯富集区域之一，误揭富含瓦斯断层等构造，往往会发生瓦斯事故。从对技术影响角度讲，地质构造发育不仅给资源回采造成技术难题，甚至造成煤炭资源无法最大化回采，同时，针对其可能带来的安全问题所采取的技术措施与方案也愈发难以准确制定。回采工作前查明工作面内部地质构造发育情况迫在眉睫，特别是一些规模较大的地质构造，煤矿一般采取钻探、巷探等措施，并根据周边巷道实际揭露进行地质推断，但从技术、经济角度来说，难以完全查明工作面内部地质构造整体影响范围。无线电波透视技术采用一条巷道发射场强，另一条巷道接收场强的方式进行勘探，通过对接收场强值的强弱变化对比并结合CT成像技术能够探查出一定规模、对生产有影响的、煤矿主要关注的的地质构造发育情况，为煤矿井下回采工作面地质构造预测预报提供可靠的技术依据。
2 无线电波透视技术介绍
    无线电波透视技术[1]主要用于勘探回采工作面内部地质构造(断层、火成岩等)、煤体结构变化、煤层厚度变化等的探查；也可用于辅助工作面内瓦斯富集评价、富水性评价等领域的科学研究。
2.1 技术原理
    无线电波透视法又称坑透法[2]。井下煤层为近均匀、各向同性介质，当采用长度小于波长的短偶极子天线在一条巷道向煤层中发射电磁波(偶极子天线辐射场见图1，并使其在地下煤岩层介质中传播时，在距辐射源距离 r处的电磁场强度为Hr ，见公式(1)，在另一条巷道的接收天线接收的是发射机所发射的电磁波在水平方向上电磁波的一个分量，且因为地下各种岩、矿石介质的电性(电阻率和介电常数等)不同，介质对电磁波能量吸收[3]程度不同，地下煤层与岩层相比表现为相对高阻，低阻(高电导率)岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当电磁波传播过程中遇到断层、火成岩、陷落柱等地质构造所出现的物性差异界面时，电磁波会在异常界面上发生不同的反射与折射作用，也造成电磁波能量的损耗，从而导致接收巷道中的电磁波信号十分微弱甚至无法接收到透射信号，形成所谓的透射异常(又称阴影异常)[4]。通过分析回采工作面煤层、地质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，进而进行地质规律推断与解释，这就是无线电波透视法的基础原理。
(1)

H0为初始场强；
β为煤层对电磁波的吸收系数[5]；
f(θ)为方向性因子；
r为M点到O点的直线距离(m)；
θ为偶极子轴与观测方向的夹角。 2.2 施工方法
    无线电波透视勘探施工方法主要包括同步法和定点法[6]两种。同步法即发射端和接收端分别位于同一个回采工作面的不同巷道中，且等时等距离移动，逐点发射与接收，该方法因为存在未覆盖区域，产生一定盲区，而较少采用，同步法施工示意图见图2。定点法也称定点交汇法，为常用的施工方法，同样发射端和接收端分别位于同一个回采工作面的不同巷道中，发射端一段时间内相对固定在一条巷道的一个位置，在这段时间里接收端在另一条巷道逐点接收，发射接收完成一条巷道后进行互换，并重复发射接收工作，达到完全透视观测，一般发射点间距50m，且发射点位于与一站对应接收点中点相对的另一条巷道位置，接收点一般间距为10m，且接收点数量大部分为11～21间的奇数，定点法施工示意图见图3。 2.3 数据处理及解释
    无线电波透勘探数据解释方法主要有场强对比法与成析层像法[7]两种，数据处理主体流程见图4，通过数据处理一般得到射线分布图、综合曲线图、异常交汇平面图、实测场强曲线图、实测场强分布图、吸收系数成像[8]图等。     场强对比法主要是根据地质构造对电磁波的异常反应，沿巷道观测综合曲线图中实测场强、理论场强衰减的大小及曲线形态变化，从而判断地质异常体的存在，同时结合收发点位置关系及综合曲线，形成异常交汇，确定异常边界。有时为方便分析，也可直接根据实测场强值的变化或曲线变化进行异常范围的初步判断。
    成析层像法[9]的应用主要体现在实测场强分布成像及吸收系数反演成像中，对于基于成析层像法的吸收系数反演成像，公式(1)体现了煤层介质中任意一点磁场，然后把进行无线电波透视的回采工作面划分为若干具有不同吸收系数的小单元[10]，即像元，每一个像元内部介质视为均匀的。网格划分示意图见图5。 若电磁波第i个传播距离为ri，那么它便代表了多个像元的距离之和，即为：
(2)
若像元内没有射线穿过，则令dij=0，则：
(3)
对数变换得：
 (4)
在多处发射站对场强分别进行多次观测，即可形成矩阵方程：
[X][D]=[Y] (5)
式中：
[X]— 未知数矩阵；　
[D]— 系数矩阵；

[Y]—表示已知数矩阵,即实测值。
    利用同时迭代重构技术等算法、计算矩阵方程可以反演各网格的吸收系数值, 进而实现回采工作面勘探与成像区域内的吸收系统反演成像，从而生成吸收系数等值线图[11]。
3 应用实例
    下面为该技术在黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司旗下两个煤矿的应用实例，成果图中实测场强分布与地质成果图中颜色按蓝色→绿色→黄色→红色变化，代表实测场强值逐渐增大方向，低值区(蓝色)代表地质构造发育区域，吸收系数成像与地质成果图中颜色按白色→黄色→红色变化，代表吸收系数值逐渐增大方向，高值区(黄、红色)代表地质构造发育区域，且每个案例中的实测场强分布图与吸收系数成像图通过效果对比，确定异常范围基本一致，以下不再重复叙述。
3.1 东荣一矿北一区18层三片工作面应用实例
3.1.1 工区概况
    东荣一矿北一区18层三片工作面平均煤厚2.1米，倾角18°，风道掘进过程中揭露断层7处，分别为F137：H(落差)=2.4m、F138：H=1.1m、F139：H=0.5m、F133：H=0.6m、F156：H=0.6m、F129：H=1.5m、F141：H=2.4m；机道掘进过程中揭露断层6处，分别为F138-1：H=3.8m、F139-1：H=0.6m、F132：H=0.7m、F129-1：H=0.8m、F159：H=0.5m、F160：H=0.8m，断层落差均大于或接近1/3煤厚。
3.1.2 施工方案
    无线电波透视勘探过程中，风道及机道均对应布置测线长度840m，接收点85个，接收点间距10m，发射点16个，发射点间距50m，且发射点均在测线开始的50m位置开始布置，每条巷道1个发射点对应另一条巷道11个接收点。
3.1.3 应用成果
    通过对勘探数据进行处理分析得到最终成果，图6为实测场强曲线图，分析知工作面495～790m范围为低值异常区，图7为实测场强分布与地质成果图，图8为吸收系数成像与地质成果图，结合两种分析成果得到3处明显异常区，且都集中在实测场强曲线确定的异常范围内，分别命名为YC1、YC2、YC3，并结合地质资料及实际揭露情况，得到最终应用结论，详见表1：勘探成果异常解析表。 3.1.4 应用分析小结
    通过巷道实际揭露情况与无线电波探测成果异常区对应一致性充分说明，无线电波透视技术能够有效的探测回采工作面内部落差均大于或接近1/3煤厚的断层的影响范围，且根据异常反应条带状分布特征并结合地质资料可以推断出构造发育形态。
3.2 集贤煤矿东五下部采区右二片工作面应用实例
3.2.1 工区概况
    集贤煤矿东五下部采区右二片工作面平均煤厚1.4米，倾角8°，风道掘进过程中揭露岩墙3处，命名为岩墙1～岩墙3，断层11处，分别为F1：H=0.2m、F2：H=0.1m、F3：H=0.15m、F4：H=1.4m、F5：H=0.4m、F6：H=0.6m、F7：H=0.5m、F8：H=0.3m、F9：H=0.2m、F10：H=0.3m、F11：H=0.12m，除F4、F6、F7外，均为落差小于1/3煤厚的断层，其中F5～F8为代表性落差小于1/3煤厚但集中发育的断层，F9～F11为代表性落差小于1/3煤厚且独立发育的断层；机道掘进过程中揭露岩墙4处，命名为岩墙4～岩墙7，断层6处，分别为F12：H=1.1m、F13：H=1.2m、F14：H=1.2m、F15：H=0.2m、F16：H=0.4m、F17：H=0.5m，除F15、F16外，均为落差大于1/3煤厚的断层，其中F15～F16为代表性落差小于1/3煤厚但集中发育的断层，F17为代表性落差大于1/3煤厚且独立发育的断层。
3.2.2 施工方案
    无线电波透视勘探过程中，风道及机道均对应布置测线长度750m，接收点76个，接收点间距10m，发射点14个，发射点间距50m，且发射点均在测线开始的50m位置开始布置，每条巷道个发射点对应另一条巷道11个接收点。
3.2.3 应用成果
    通过对勘探数据进行处理分析得到最终成果，图9为实测场强曲线图，分析知风道160～330m、机道190～330m范围，风道390～550m、机道410～550m范围，机道560～600m范围，三处为低值异常区，图10为实测场强分布与地质成果图，图11为吸收系数成像与地质成果图，结合两种分析成果得到3处明显异常区，且都集中在实测场强曲线确定的异常范围内，分别命名为YC1、YC2、YC3，结合地质资料及实际揭露情况，得到最终应用结论，详见表2：勘探成果异常解析表。
3.2.4 应用分析小结
    通过巷道实际揭露情况与无线电波探测成果异常区对应性上可以看出：1)F17这种落差大于1/3煤厚且独立发育的断层，无线电波透视技术能够有效分辨；2)F15～F16、F5～F8这种落差小于1/3煤厚但集中发育的断层，无线电波透视技术同样能够有效分辨；3)对于岩墙这种地质构造，无线电波透视技术能够有效分辨其影响范围，结合地质资料及无线电波场强分布及吸收系数条带异常形态，可以对地质构造发育形态进一步分析；4)F9～F11这种落差小于1/3煤厚且独立发育的断层，无线电波透视技术很难有效精确分辨，甚至无法分辨。 4 结束语
    1)对于回采工作面内具有一定规模的中大型地质构造，无线电波透视技术能够有效探查与分辨；对于较小但多个集中发育的构造，如落差小于1/3煤厚的断层，无线电波透视技术同样能够有效分辨其影响范围；对于较小且独立发育的构造，如落差小于1/3煤厚的断层，无线电波透视技术很难有效精确分辨，甚至无法分辨，但该类小构造一般不会影响煤矿井下生产工作，是煤矿井下要求探测精度之外的构造，故无线电波透视技术能够满足煤矿井下回采工作面主要地质构造探测的需要，并提供可靠技术依据；
    2)在进行工作面无线电波透视勘探成果分析及地质解释过程中，应遵循从宏观到微观，从巷道到面内，从已知到未知，从实际揭露构造到内部隐伏构造的原则，通过已知构造验证物探异常区域划分的正确性，进而进行未知区域解释，并根据场强分布、吸收系数异常条带形状与趋势可精细判断地质构造发育形态。
参考文献：
[1] 潘利洵,武俊文,卢海.无线电波透视在工作面探测中的应用[J].工程地球物理学报,2010.
[2]刘磊,赵兆,范涛.无线电波透视几种成像方法对比[J].工程地球物理学报,2017.
[3]周杰民.RWP无线电波坑透处理软件在煤矿中的应用[J].煤炭与化工,2018.
[4] 曹建辉,黄祥宽,叶坤辉.坑透在大倾角薄煤层不规则回采工作面的应用[J].煤炭技术,2018.
[5] 谭琦,崔焕玉,李小召.无线电波坑道透视技术探察煤矿隐伏地质构造[J].煤炭与化工,2018.
[6] 胡玉超.矿井无线电波透视技术探测模式研究[J].物探与化探,2018.
[7] 买魁.无线电波坑透仪在晋华宫矿8218工作面的实践应用[J].山东煤炭科技,2018.
[8] 赵帅.无线电波坑道透视在综采工作面的应用[J].山东煤炭科技,2018.
[9] 吴荣新,刘盛东,肖玉林,徐翀.工作面无线电波透视实测场强成像分析及应用[J].岩土力学,2010.
[10] 肖玉林. 煤矿综采工作面无线电波透视技术研究[D].安徽理工大学,2010.
[11] 白永利，王云龙，张鹏．无线电波透视技术在探查隐伏地质构造中的应用[J]．煤炭技术,2015．
作者简介：
白永利(1989-)，男，内蒙古通辽市人，汉族，物探工程师，2011年毕业于中国矿业大学地球物理学专业，获得学士学位，2017年毕业于吉林大学地质工程专业，获得工程硕士学位。主要从事矿井物探技术与设备应用研究。