工作面內(nèi)異常體無(wú)線電波CT成像效果分析

吳桂元，楊 伐

（1.中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海201208；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001）

目前，礦井高效生產(chǎn)中走向長(zhǎng)大面寬綜采工作面布置越來(lái)越多，與其相對(duì)應(yīng)，高效的回采方式要求預(yù)先查清工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造賦存狀況，確?；夭扇蝿?wù)的順利開展。無(wú)損探測(cè)技術(shù)中地震波與電磁法兩大類方法在諸多工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造及異常體探查應(yīng)用較為廣泛，其中CT（透視）法勘探技術(shù)成為首選。礦井工作面內(nèi)透視技術(shù)主要包括彈性波類透視法（CT）、直流電法透視（CT）、音頻電透視和無(wú)線電波CT〔1－3〕等。在這些方法中，直流電法CT和地震CT現(xiàn)場(chǎng)勘查存在一定的制約因素，比如在人力、施工量、施工時(shí)間等都比較大，尤其地震CT需人工炮源，現(xiàn)場(chǎng)施工需全體人員協(xié)調(diào)，操作復(fù)雜，通常是在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)使用?；陔姶挪ㄍ敢曉磉M(jìn)行勘探的無(wú)線電波CT成像技術(shù)憑借其出現(xiàn)較早、技術(shù)成熟、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方便快捷，在礦井工作面內(nèi)地質(zhì)異常探查中發(fā)揮著重要作用〔4〕。但受方法技術(shù)條件所限，根據(jù)巖煤層對(duì)電磁波的吸收衰減特征進(jìn)行煤層中地質(zhì)異常體判斷時(shí)，其分辨能力會(huì)受到影響，特別對(duì)大走向大面寬工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及異常的判斷需要綜合勘探與分析。文章?lián)淹瓿傻墓ぷ髅娆F(xiàn)場(chǎng)施工與探查成果資料，就工作面高度、構(gòu)造特征等制約因素對(duì)電磁波CT技術(shù)勘探效果影響進(jìn)行分析研究，意在尋求利用無(wú)線電波透視為煤層工作面回采超前探測(cè)提供有效的技術(shù)參數(shù)，力求提高該技術(shù)對(duì)工作面內(nèi)構(gòu)造及異常體探查的分辨能力。

1 無(wú)線電波CT成像技術(shù)

1.1 探查地球物理?xiàng)l件

由于不同賦存層位和埋藏條件及礦物組合造成巖、礦石電性參數(shù)存在差異，進(jìn)而對(duì)煤巖層中傳播的電磁波具有不同的吸收量，在電磁波能量衰減上具有一定差異性。電阻率較高的煤巖層對(duì)電磁波吸收作用弱，有利于其穿透，而電阻率較低的巖、礦石對(duì)電磁波吸收屏蔽作用較強(qiáng)，有礙于其傳播，能量衰減明顯；電磁波在斷裂等構(gòu)造所產(chǎn)生的界面發(fā)生折射、反射造成電磁波能量的損耗，致使接收端信號(hào)強(qiáng)度衰減〔5－9〕。因此，當(dāng)電磁波在隱含異常體（斷層、含水區(qū)、陷落柱、空洞或其它不均勻地質(zhì)體）煤巖層穿越時(shí)，異常體將吸收或完全屏蔽電磁波能量，導(dǎo)致接收端收到微弱信號(hào)或收不到透射信號(hào)，形成所謂的透視異常，據(jù)此進(jìn)行地質(zhì)推斷和解釋，以上分析內(nèi)容無(wú)線電波CT探查面內(nèi)構(gòu)造與異常體的地球物理學(xué)基礎(chǔ)〔10－13〕。

1.2 測(cè)試技術(shù)原理

根據(jù)電磁波傳播理論，空間中任意接收點(diǎn)P處電磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

式中：H0為初始化磁場(chǎng)強(qiáng)度；β為介質(zhì)磁場(chǎng)吸收系數(shù)；r為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離；f（θ）為方向因子；θ為接收點(diǎn)所在平面與磁偶極子軸的夾角。

在輻射條件穩(wěn)定時(shí)，H0為一常數(shù)，β因子對(duì)場(chǎng)強(qiáng)值起主導(dǎo)作用，從公式（1）可知H為以e為底關(guān)于傳播距離γ指數(shù)函數(shù)，當(dāng)β越大，H衰減越快。當(dāng)θ＝90°時(shí)，即f（θ）＝sinθ＝1，發(fā)射機(jī)輻射電磁場(chǎng)能量最強(qiáng)。當(dāng)θ＝0°時(shí)場(chǎng)強(qiáng)值為最小。當(dāng)垂直時(shí)，則sinθ≈1，此公式可簡(jiǎn)化為：

因此，依測(cè)試值H來(lái)作為探測(cè)解釋的根據(jù)（見圖1）。目前，國(guó)內(nèi)主要有煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院、河北煤科院和福州華虹智能科技開發(fā)有限公司開發(fā)生產(chǎn)的三款無(wú)線電波透視數(shù)據(jù)采集儀器，其中福州華虹公司的YCT88，其工作頻段多有0.088、0.158、0.365和0.965 MHz，透視距離可選性強(qiáng)。

1.3 探測(cè)解釋

圖1 工作面無(wú)線電波CT工作原理示意

對(duì)探測(cè)結(jié)果所獲取的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線、實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)交匯圖和電磁波吸收系數(shù)分布圖進(jìn)行分析，據(jù)此為基礎(chǔ)作地質(zhì)解釋。其中實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖是根據(jù)發(fā)射接收對(duì)在工作面雙巷中的位置，將實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行顯示，包括兩條不同巷道發(fā)射接收狀況的兩幅圖。由于測(cè)試系統(tǒng)固定，根據(jù)曲線對(duì)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值大小可以初步分析整個(gè)工作面不同位置點(diǎn)的電磁波吸收衰減狀況。對(duì)于實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)交匯平面圖是根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)分布射線交會(huì)原理，對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)不同射線實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值的網(wǎng)格歸位，這樣綜合不同射線可以將探測(cè)區(qū)域內(nèi)的衰減快、高吸收部分突現(xiàn)出來(lái)。場(chǎng)強(qiáng)平面圖中通常將高于平均場(chǎng)強(qiáng)值的區(qū)域用白色充填，這樣對(duì)高吸收區(qū)進(jìn)行剔除，即把異常位置突出出來(lái)供地質(zhì)構(gòu)造解釋。對(duì)傳播介質(zhì)的吸收系數(shù)進(jìn)行反演，獲得吸收系數(shù)分布圖，根據(jù)吸收系數(shù)分布差異可確定異常區(qū)的范圍及空間延展特征。地質(zhì)解釋時(shí)結(jié)合這三類圖件綜合分析，確定出工作面內(nèi)主要構(gòu)造異常區(qū)。

2 無(wú)線電波CT成像效果分析

作者搜集的礦區(qū)無(wú)線電波透視技術(shù)探測(cè)成果資料，無(wú)線電波透視CT成像效果良好，能夠分辨斷層構(gòu)造、煤層變薄區(qū)等異常體，但對(duì)于一些復(fù)雜地質(zhì)條件也存在分辨能力不足問(wèn)題，值得深入討論。這里選擇淮南潘北礦1121（3）工作面探測(cè)與揭露資料進(jìn)行對(duì)比分析?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作面斜長(zhǎng)200m，平均煤厚4.4m，背景場(chǎng)強(qiáng)值約為60db?，F(xiàn)工作面已回采完畢且順利穿過(guò)預(yù)報(bào)異常區(qū)，圖2為一段實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布及其探采結(jié)果對(duì)比圖，其中虛線部分為探測(cè)解釋結(jié)果，實(shí)線部分為驗(yàn)證結(jié)果范圍。

探測(cè)解釋的3個(gè)異常區(qū)均得到驗(yàn)證，其中1＃異常區(qū)在巷道掘進(jìn)中未揭露，為隱伏異常。探測(cè)解釋為隱伏斷層帶，局部煤層變薄，延伸長(zhǎng)約60m，對(duì)生產(chǎn)影響較小。回采驗(yàn)證表明：異常區(qū)外煤厚為3.7～4.1m，區(qū)內(nèi)煤厚變薄為3.3～3.7m，且小斷層及裂隙帶發(fā)育。以煤厚3.7m為界線圈定實(shí)見異常范圍，發(fā)現(xiàn)兩者形態(tài)較吻合，但探測(cè)解釋范圍偏??；2＃異常區(qū)也為隱伏異常，探測(cè)解釋為隱伏斷層或裂隙發(fā)育區(qū)，局部煤層變薄，延伸長(zhǎng)約100m?；夭沈?yàn)證表明：該異常區(qū)內(nèi)煤厚變薄為1.6～3.6m，且小斷層及裂隙帶發(fā)育。以煤厚3.6m為界線圈定實(shí)見異常范圍，發(fā)現(xiàn)實(shí)見異常區(qū)較大，且位置上有一定偏離；3＃異常區(qū)中電磁波透過(guò)的場(chǎng)強(qiáng)值較小，局部在15db以下，其高吸收特征顯著?；夭山衣?，區(qū)內(nèi)多處煤厚變薄為1.6～3.6m，且斷層及裂隙帶發(fā)育。以煤厚3.6m為界線圈定實(shí)見異常范圍，兩者在范圍、特征方面與探測(cè)結(jié)果較吻合。

圖2 探測(cè)解釋異常區(qū)對(duì)比分析結(jié)果

斷層走向延展長(zhǎng)度與無(wú)線電波透視CT成像對(duì)走向和傾向斷層的分辨能力之間存在密切關(guān)系。圖3為淮南潘三礦1742（3）工作面無(wú)線電波透視探查綜合解釋結(jié)果，對(duì)于傾向斷層或近傾向斷層而言，斷層傾向延展長(zhǎng)度與分辨效果成正相關(guān)；而對(duì)于走向斷層或近走向斷層，斷層走向延展長(zhǎng)度與探測(cè)效果成負(fù)相關(guān)，實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)圖中2號(hào)常呈片狀分布，為走向斷層表現(xiàn)，具體位置不易準(zhǔn)確定位，當(dāng)延展長(zhǎng)度越小時(shí)，探測(cè)效果越好。因此，需對(duì)探查數(shù)據(jù)后期處理及分析技術(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合其他物探方法進(jìn)行探測(cè)綜合分析，對(duì)提高走向斷層的探查與預(yù)報(bào)能力有較理想的促進(jìn)效果。

圖3 走向斷層實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布

3 結(jié)語(yǔ)

1）無(wú)線電波透視CT成像技術(shù)對(duì)礦井長(zhǎng)透距工作面具有良好的探測(cè)適用性，其對(duì)工作面內(nèi)斷層構(gòu)造、煤層厚度變薄區(qū)等地質(zhì)異常體具有良好的分辨力，但對(duì)于煤層薄、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、走向上有重疊的異常區(qū)域其探測(cè)效果變差，實(shí)際探查時(shí)需根據(jù)不同工作面特點(diǎn)進(jìn)行探查與分析，可取得良好的效果。

2）被測(cè)走向斷層或近走向斷層延展長(zhǎng)度與探測(cè)效果負(fù)相關(guān)，其實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)圖中的異常解釋區(qū)呈片狀分布，具體位置定位不理想，探查數(shù)據(jù)后期處理及分析技術(shù)需改進(jìn)，同時(shí)綜合利用其他物探方法，進(jìn)一步提高對(duì)走向斷層的探查與預(yù)報(bào)能力。

3）為了精細(xì)探查面內(nèi)異常體賦存特性，需進(jìn)一步完善無(wú)線電波透視CT成像方法，根據(jù)區(qū)域條件判定解釋標(biāo)準(zhǔn)，努力提高解釋預(yù)報(bào)精度。

〔1〕張平松，劉盛東，程學(xué)豐.礦井地質(zhì)安全保障體系中的實(shí)用探測(cè)技術(shù)〔J〕.江蘇煤炭，2003（2）：10－11.

〔2〕程 剛，張平松.礦井工作面地質(zhì)異常精細(xì)探查方法技術(shù)研究進(jìn)展〔J〕.工程地球物理學(xué)報(bào)，2013，10（1）：99－106.

〔3〕程 剛，張平松，吳騰飛，等.礦井工作面地質(zhì)條件震波CT探測(cè)模擬試驗(yàn)與應(yīng)用〔J〕.CT理論與應(yīng)用研究，2013，22（2）：265－272.

〔4〕肖玉林.煤礦綜采工作面無(wú)線電波透視技術(shù)研究〔D〕.碩士論文 .淮南：安徽理工大學(xué)，2010：2－25.

〔5〕吳榮新，肖玉林，張平松.坑透和并行電法探查大面寬綜采工作面地質(zhì)異常探討〔J〕.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2013，25（4）：63－65.

〔6〕肖玉林，吳榮新，張平松.無(wú)線電波透視快速勘探技術(shù)及其應(yīng)用〔J〕.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2010，22（4）：65－68.

〔7〕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.

〔8〕王均雙，薄夫利，馬 沖.坑透CT成像技術(shù)在工作面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（10）：93－96.

〔9〕董守華，王 琦.層析成像在巷道無(wú)線電波透視法中的應(yīng)用〔J〕.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（5）：579－582.

〔10〕田王健.基于無(wú)線電磁波透視工作面煤層情況探測(cè)〔J〕.能源與節(jié)能，2014（6）：47－48.

〔11〕劉鑫明，劉樹才，姜志海，等.基于改進(jìn)振幅衰減常數(shù)的無(wú)線電波透視層析成像研究〔J〕.地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28（2）：980－985.

〔12〕劉志新，劉樹才，王東偉.坑道無(wú)線電波透視相位層析成像技術(shù)〔J〕.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23（9）：2371－2377.

〔13〕梁慶華，馬曉莉，宋 勁，等.復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造煤層坑道透視探測(cè)研究〔J〕.礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37（1）：15－17.