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山西某矿10103工作面无线电波透视技术成果报告

1 地质概况与任务
1.1 地质概况
10103工作面位于一采区东北部，北为10#煤层杨家圪垛村庄煤柱，东邻10101工作面，南为采区轨道大巷，西为设计的10105工作面，工作面上部为9#煤19306、19302、19303、19304、19309工作面采空区。该工作面总体为单斜构造，煤层走向北东，倾向南东，倾角2°-10°，平均5°工作面地质构造较发育。10号煤层结构简单，煤层厚度变化不大，一般为1.65-1.70，平均1.68，属稳定煤层。该回采工作面走向长640-720m，倾斜长126-211m。
10103工作面直接顶为砂质泥岩，均厚3.0m；直接底为砂质泥，均厚3.2m。见综合柱状图1-1。

图1-1 综合柱状图

    10103工作面中北部揭露有一条F4正断层连续长度达250m左右，切眼附近一条F3正断层，距离依据10#煤层掘进送道副巷揭露2条正断层F1、F2，4个陷落柱；该工作面水文地质条件简单。
1.2 探测任务
    为了进一步探查10103回采工作面内地质构造和其它地质异常体的赋存情况，为该回采工作面安全、高效回采提供有效的技术依据，采用无线电波透视技术进行探测。主要探测任务为：
    （1）采用无线电波透视CT技术探测工作面内地质构造赋存情况；
    （2）查明巷道揭露落差大于1/2煤厚的断层延展情况；
    （3）查明工作面内落差大于1/2煤厚的隐伏断层赋存情况;
    （4）查明工作面内小于1/2煤厚的薄煤区赋存情况。
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

观测基本步骤：
（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型无线电波坑道透视仪，发射机和接收机为矿用本质安全型。YDT88型无线电波坑道透视仪采用500KHZ。
2.2.3 仪器设备

图2-2 YDT88矿用无线电波透视仪系统组成图
    本次勘探使用YDT88型矿用无线电波坑道透视仪，YDT88矿用无线电波透视仪是由福州华虹智能科技开发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。
2.2.4 井下干扰及其排除措施
    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

2.3.2 CT成像法
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：H₀-决定于发射功率和天线周围介质的初始场强；
    β-介质对电磁波能量的吸收系数；
    R-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。

图2-4　坑透CT成像单元离散示意图

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]-β_i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 Rec -onstruction 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。
3 施工布置与数据采集
    现场数据采集于2015年8月7日完成。在10103面运输巷巷共布置11个发射点，每个发射点对应在10103面回风巷接收11个实测场强值；在10103回风巷布置11个发射点，每个发射点对应在10103面运输巷接收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
    根据矿方要求，本次探测工作主要在10103工作面自切眼往外600m，倾向长度平均约126-211m。采用无线电波透视技术在运输巷、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

3.2 质量评述
    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，原始资料质量准确可靠。
YDT88坑透仪采集数据评价：
    本次所采集数据实测场强值由于工作面不规则总体上在17～35db、57～65db，最小值17db。从实测数值来看，背景测试值在4db左右，与最高场强值相比，有很大的变化范围，说明本次采集数据信噪比高，采集数据可靠。
4 探测结果
    本次坑透仪采集的数据（附表一）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、综合曲线图、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，其中浅（白）色调为高场强值，冷（蓝）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，其中浅（白）色调为低电磁波吸收系数值，冷（蓝）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坑透仪探测实测场强曲线图见附图1，由于10103工作面为不规则形，实测场强需结合、综合曲线图、场强分布图、SIRT反演系数图综合分析，在此就不对场强曲线阐述。
4.2 无线电波透视综合曲线图
    YDT88矿用无线电波透视仪综合曲线布图，见附图2，由于10103工作面为不规则形，综合曲线图需要结合实测场强分布图、SIRT反演系数图综合分析，在此不再赘述。
4.3 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3，由于10103工作面为不规则形，实测场强分布图需要结合SIRT反演系数图综合分析，在此不再赘述。
4.4 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4，该图中吸收系数的强弱表明煤岩层介质的差异，图中蓝色色标表示强吸收系数值，其蓝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综合曲线图、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5所示，本次探测区域内存在5异常区。横坐标以10103运输巷4#点为原点，向切眼方向为正方向；纵坐标以10103机巷4#点为原点，向10103回风巷巷方向为正方向。
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，本次探测区域内存在5个异常区。具体如表5-1所示。

表5-1 探测解释异常区特征分析

5.2 建议
    （1）建议矿方依据地质资料及巷道揭露情况对本次探测做二次解释；
    （2）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，并及时反馈给我单位，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；
    （3）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1 YDT88矿用无线电波透视仪实测场强曲线图

回风巷实测场强曲线图

机巷实测场强曲线图
运输巷发射回风巷接收
附图2 YDT88矿用无线电波透视仪综合曲线图