綜采工作面薄煤區(qū)無(wú)線電波多頻率透視精細(xì)探測(cè)

吳榮新，沈國(guó)慶，王漢卿，肖玉林

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 3.省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的提出，需要更加完善的礦山地質(zhì)保障系統(tǒng),這要求地球物理探測(cè)技術(shù)在煤炭回采前能夠更加準(zhǔn)確地探查出綜采工作面內(nèi)的地質(zhì)異常區(qū)情況[1-2]。探查工作面內(nèi)地質(zhì)異常常用的物探技術(shù)包括：地面三維地震[3]、槽波透視CT[4]、雙巷電法[5-6]、坑透探測(cè)[7-8]等?？油讣夹g(shù)具有探查速度快、費(fèi)用低、效果好的特點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外煤礦工作面普遍采用的物探方法[9-10]。研究學(xué)者從坑透的電磁波傳播理論[11-12]、數(shù)值模擬[13-14]、探測(cè)方法[15-16]、資料處理[17-20]等方面進(jìn)行了大量研究工作，進(jìn)一步推動(dòng)了坑透探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

目前的無(wú)線電波透視，僅采用單一的工作頻率探查，每個(gè)接收點(diǎn)僅獲得一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)值，所得到的信息量少，難以精細(xì)地反映異常區(qū)內(nèi)的構(gòu)造賦存情況[18]。薄煤區(qū)是工作面內(nèi)常見(jiàn)的地質(zhì)異常，特別是煤厚小于1 m 的大范圍變薄區(qū)對(duì)綜采工作面的回采影響很大，傳統(tǒng)的單頻率無(wú)線電波透視法難以準(zhǔn)確地探查出大范圍薄煤區(qū)內(nèi)的煤厚變薄程度及其影響范圍[6]，能否改進(jìn)無(wú)線電波透視方法來(lái)精細(xì)探查大范圍薄煤區(qū)是引人關(guān)注的問(wèn)題。本文闡述了無(wú)線電波多頻率透視探測(cè)的方法原理，并通過(guò)對(duì)綜采工作面薄煤區(qū)試驗(yàn)研究，得到了薄煤區(qū)的多頻探測(cè)響應(yīng)特征，證實(shí)了該方法的有效性。

1 無(wú)線電波多頻率透視探測(cè)方法原理

均勻介質(zhì)中，電磁波從發(fā)射點(diǎn)A傳播到接收點(diǎn)B，射線傳播路徑AB上任一點(diǎn)的菲涅爾帶半徑D都可以通過(guò)電磁波波長(zhǎng)λ、該點(diǎn)到發(fā)射點(diǎn)的距離r0以及到接收點(diǎn)的距離R0來(lái)確定[20]，公式為：

由式(1)可知，電磁波傳播中菲涅爾帶的半徑與波長(zhǎng)λ成正比，即與電磁波的頻率f成反比。射線頻率越高，菲涅爾帶半徑越小，越接近射線條件; 射線頻率越低，菲涅爾帶半徑越大，越能體現(xiàn)電磁波傳播的波場(chǎng)特征。

介質(zhì)吸收系數(shù)β的表達(dá)式[20]為：

式中：f為工作頻率；σ為電導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率。煤層工作面坑透采用的工作頻率f≤1.5 MHz，β隨f的增加而增加。

煤層對(duì)較低頻率的無(wú)線電波信號(hào)能量吸收系數(shù)較小，接收的透視場(chǎng)強(qiáng)值較高，能夠透視的工作面寬度較大，但是相應(yīng)無(wú)線電波的波長(zhǎng)相對(duì)較大，對(duì)應(yīng)的無(wú)線電波的菲涅爾帶較大，對(duì)地質(zhì)異常體的分辨力較差；反之，煤層對(duì)較高頻率的無(wú)線電波信號(hào)能量吸收系數(shù)較大，接收的透視場(chǎng)強(qiáng)值較低，能夠透視的工作面寬度較小，但是無(wú)線電波的波長(zhǎng)相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)的無(wú)線電波的菲涅爾帶較小，無(wú)線電波接近射線傳播，對(duì)地質(zhì)異常體的分辨力較高。通過(guò)由低到高的多頻率探測(cè)，由于煤巖層對(duì)不同頻率的無(wú)線電波能量吸收系數(shù)不同、波長(zhǎng)不同、能量傳播方式不同，同一接收位置所接收的多個(gè)頻率場(chǎng)強(qiáng)值將出現(xiàn)不同的響應(yīng)特征，能夠多信息反映地質(zhì)異常區(qū)的賦存情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)異常區(qū)的精細(xì)探測(cè)。

目前尚無(wú)能夠一次探測(cè)得到多頻率數(shù)據(jù)的無(wú)線電波透視儀，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的儀器中，YDT88 型無(wú)線電波透視儀采用的工作頻率包括0.088、0.158、0.365 和0.965 MHz，工作頻率范圍較大，適合于開(kāi)展多頻率探測(cè)試驗(yàn)研究。多頻率坑透探測(cè)方式與單頻坑透相同，每個(gè)工作頻率的數(shù)據(jù)采集發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)布置相同。通常先從最低工作頻率開(kāi)始探測(cè)，所有數(shù)據(jù)采集完畢后，再升高一個(gè)頻率繼續(xù)探測(cè)，直到能夠透視的幾個(gè)工作頻率都探測(cè)完畢，完成多頻率探測(cè)。

2 地質(zhì)概況及數(shù)據(jù)采集

淮河能源集團(tuán)張集礦1610A 綜采工作面，工作面寬90 m，正常煤厚為5.0～7.0 m。工作面近切眼段巷道揭露大范圍薄煤區(qū)(圖1)，其中薄煤段1 煤厚僅0～1.0 m，薄煤段2 和3 煤厚1.0～5.0 m，薄煤段4煤厚4.0～5.0 m。工作面煤層頂板為灰色中粒砂巖，底板為灰色粉細(xì)砂巖。由于煤層頂?shù)装鍘r層均為堅(jiān)硬巖層，煤厚2.0 m 以下的薄煤范圍對(duì)綜采生產(chǎn)影響很大，需要對(duì)該范圍薄煤區(qū)進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，及時(shí)采取相應(yīng)措施。薄煤區(qū)單頻率的坑透探測(cè)結(jié)果不能達(dá)到生產(chǎn)需要[6]，因此，采用無(wú)線電波多頻率透視法進(jìn)行試驗(yàn)探測(cè)。

圖1 1610A 工作面觀測(cè)系統(tǒng)平面Fig.1 Plane diagram of observation system in coal face

試驗(yàn)探測(cè)范圍為近開(kāi)切眼段240 m 范圍，包括薄煤段和部分煤厚正常范圍段巷道。為更好地探測(cè)出1 m 以下薄煤區(qū)范圍，將開(kāi)切眼及軌道巷設(shè)置為1 號(hào)探測(cè)巷，從開(kāi)切眼G0 測(cè)點(diǎn)起，直到G29 測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)間距10 m；運(yùn)輸巷為2 號(hào)探測(cè)巷，從Y0 測(cè)點(diǎn)起，到Y(jié)24 測(cè)點(diǎn)止，點(diǎn)間距10 m。發(fā)射點(diǎn)(圖1 巷道中圓圈所示)間距50～60 m，共布置8 個(gè)發(fā)射點(diǎn)。任一發(fā)射點(diǎn)發(fā)射時(shí)，通常在對(duì)面巷道對(duì)應(yīng)段接收?qǐng)鰪?qiáng)值，例如軌道巷G18 點(diǎn)發(fā)射，在運(yùn)輸巷Y7—Y20 測(cè)點(diǎn)段接收。2019 年11 月15 日進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)，采用YDT88 型無(wú)線電波透視儀，工作頻率依次采用0.088、0.158、0.365 和0.965 MHz，發(fā)射點(diǎn)及接收點(diǎn)布置相同。試驗(yàn)探測(cè)期間工作面停電，未發(fā)射信號(hào)時(shí)各頻率背景場(chǎng)強(qiáng)值范圍為0～20 dB，顯著低于透視場(chǎng)強(qiáng)值。

3 探測(cè)結(jié)果

對(duì)采集的透視場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，采用ETC2.1 無(wú)線電波CT 處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Ⅰ段為開(kāi)切眼薄煤段巷道接收點(diǎn)范圍，Ⅱ、Ⅲ段分別對(duì)應(yīng)軌道巷薄煤段1、3 接收點(diǎn)范圍，Ⅳ段對(duì)應(yīng)運(yùn)輸巷薄煤段4 接收點(diǎn)范圍(圖1、圖2)。對(duì)不同場(chǎng)強(qiáng)值，分別進(jìn)行聯(lián)合代數(shù)重建法(SIRT)反演處理，得到工作面探測(cè)范圍吸收系數(shù)圖，將其置于工作面平面圖上(圖1)，得到吸收系數(shù)成像解釋圖(圖3)。

3.1 頻率0.088 MHz

軌道巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2a)：Ⅰ段測(cè)點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為68.5～84.8 dB，由于各測(cè)點(diǎn)與源的距離變化大，場(chǎng)強(qiáng)值差異范圍較大；Ⅱ、Ⅲ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為55.4～68.5 dB，比煤厚正常段相似射線路徑場(chǎng)強(qiáng)值低0～10 dB；其余范圍場(chǎng)強(qiáng)變化范圍為59.9～75.6 dB，特別是Y13和Y18場(chǎng)強(qiáng)曲線，表現(xiàn)出中間高兩邊低的拋物線形特征，為正常煤層段的場(chǎng)強(qiáng)曲線特征[19]。運(yùn)輸巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2b)：G8發(fā)射點(diǎn)位于薄煤段1范圍，其對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)值范圍為52.5～65.4 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低0～ 10 dB；G13、G18和G24場(chǎng)強(qiáng)曲線，為正常煤厚段的場(chǎng)強(qiáng)曲線特征；Ⅳ段薄煤范圍接收?qǐng)鲋滴幢憩F(xiàn)出明顯降低。

近切眼段60 m 范圍吸收系數(shù)β值為0.010～0.045 dB/m，其中薄煤段1 所在范圍表現(xiàn)為較高β值0.035～0.045 dB/m；薄煤段2、3、4 所在范圍與正常煤厚段無(wú)明顯的區(qū)別(圖3a)，β值為0.011～0.035 dB/m。

3.2 頻率0.158 MHz

軌道巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2c)：Ⅰ段測(cè)點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為67.6～90.5 dB，場(chǎng)強(qiáng)值差異范圍較大；Ⅱ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為59.5～67.6 dB，比煤厚正常段強(qiáng)值低5～15 dB；Ⅲ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為63.1～69.0 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低 0～10 dB；其余范圍場(chǎng)強(qiáng)變化范圍為 62.8～77.1 dB，為正常煤層段的場(chǎng)強(qiáng)曲線特征。運(yùn)輸巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2d)：G8 發(fā)射點(diǎn)其對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)值范圍為31.4～62.7 dB，除5 號(hào)測(cè)點(diǎn)值外比煤厚正常段相似射線路徑場(chǎng)強(qiáng)值低5～15 dB；其余場(chǎng)強(qiáng)曲線變化正常。

近切眼段60 m 范圍β值0～0.05 dB/m，其中薄煤段1 所在范圍表現(xiàn)為較高β值0.04～0.05 dB/m；薄煤段2、3、4 所在范圍與正常煤厚段無(wú)明顯的區(qū)別(圖3b)，β值0.010～0.035 dB/m。

3.3 頻率0.365 MHz

軌道巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2e)：Ⅰ段測(cè)點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為50.0～84.1 dB，場(chǎng)強(qiáng)值差異范圍很大；Ⅱ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為35.8～50.0 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低15～30 dB；Ⅲ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為44.4～64.6 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低 0～20 dB；其余范圍場(chǎng)強(qiáng)變化范圍為53.0～71.2 dB，為正常煤厚段的場(chǎng)強(qiáng)曲線特征。運(yùn)輸巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2f)：G8 發(fā)射點(diǎn)其對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)值范圍為37.1～52.5 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低10～30 dB；Ⅳ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為50.8～61.8 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低0～10 dB；其余場(chǎng)強(qiáng)曲線變化正常。

圖2 實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線Fig.2 Curve of measured field strength

近切眼段80 m 范圍β值0～0.09 dB/m，其中薄煤段1 所在范圍表現(xiàn)為高值0.07～0.09 dB/m，薄煤段2、3 所在范圍β值多為0.04～0.07 dB/m；薄煤段4 所在范圍β值多為0.035～0.055 dB/m；正常煤層段β值多為0.02～0.04 dB/m(圖3c)。

3.4 頻率0.965 MHz

軌道巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2g)：Ⅰ段測(cè)點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為58.2～87.5 dB，G0—G3 段與G3—G5 段表現(xiàn)出顯著的斜率差異，反映薄煤段1、2 間的吸收系數(shù)存在顯著差異；Ⅱ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為29.3～58.7 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低5～15 dB；Ⅲ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為39.9～62.9 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低0～10 dB；其余范圍場(chǎng)強(qiáng)變化范圍為46.8～67.5 dB，為正常煤厚段的場(chǎng)強(qiáng)曲線特征。運(yùn)輸巷接收?qǐng)鰪?qiáng)值(圖2h)：G8 發(fā)射點(diǎn)其對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)值范圍多為27.9～49.4 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低10～30 dB；Ⅳ段薄煤范圍接收?qǐng)鰪?qiáng)變化范圍為51.5～67.5 dB，比煤厚正常段場(chǎng)強(qiáng)值低0～10 dB；其余場(chǎng)強(qiáng)曲線變化正常。

近切眼段80 m 范圍高β值范圍表現(xiàn)為2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范圍，分別對(duì)應(yīng)薄煤段1(多為0.06～0.10 dB/m)和薄煤段3(多為0.05～0.08 dB/m)；薄煤段4 所在范圍吸收系數(shù)值多為0.04～0.06 dB/m；正常煤層段β值多為0.03～0.05 dB/m(圖3d)。

4 綜合分析

4.1 薄煤區(qū)探查

由場(chǎng)強(qiáng)曲線(圖2)和吸收系數(shù)成像解釋(圖3)，清楚反映薄煤段1、2、3 與薄煤段4 所在薄煤區(qū)范圍是分開(kāi)的，對(duì)應(yīng)2 個(gè)薄煤異常區(qū)；其余范圍探測(cè)結(jié)果表現(xiàn)為較正常的數(shù)值，反映無(wú)地質(zhì)異常。

薄煤段4 范圍場(chǎng)強(qiáng)值僅在0.965 和0.365 MHz較高頻率探測(cè)結(jié)果上顯示為較低的H值(圖2f、圖2h)和較高的β值(圖3c、3d)，在0.965 MHz 結(jié)果上更為顯著；該范圍在其他較低頻率探測(cè)結(jié)果上無(wú)明顯反映。異常區(qū)的范圍通常為β值增加約30%以上，以0.965 MHz 探測(cè)結(jié)果的吸收系數(shù)大于0.052 dB/m范圍為基礎(chǔ)，結(jié)合巷道揭露煤厚5 m 為異常邊界圈定YC2 區(qū)(圖3d 中虛線)，解釋煤層變薄程度小于1/3 正常煤厚，水平方向長(zhǎng)度為40 m，影響范圍小(圖3 虛線范圍)，與回采揭露一致(圖3 實(shí)線范圍)。

薄煤段1范圍場(chǎng)強(qiáng)值在4個(gè)頻率探測(cè)結(jié)果上均顯示為較低的H值(圖2)和較高的β值(圖3)；薄煤段3范圍場(chǎng)強(qiáng)值僅在0.965、0.365 MHz 頻率探測(cè)結(jié)果上均顯示為較低的H值(圖2)和較高的β值(圖3)。由此可見(jiàn)，煤厚變薄程度高的薄煤區(qū)在較寬的頻率范圍上有所體現(xiàn)，而煤厚變薄程度低的薄煤區(qū)僅在較高頻率范圍上有所體現(xiàn)。0.365 MHz 頻率探測(cè)結(jié)果上(圖2e、圖2f，圖3c)，正常區(qū)的β值范圍均值約為0.035 dB/m，取β值0.045 dB/m 為閾值圈定薄煤區(qū)范圍；薄煤段1、2、3所在范圍表現(xiàn)為一個(gè)異常區(qū)，以該異常范圍為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮巷道揭露薄煤區(qū)范圍，圈定出YC1范圍(圖3虛線所示范圍)；薄煤段1所在范圍表現(xiàn)為更低的場(chǎng)強(qiáng)值和更高的吸收系數(shù)值。0.965 MHz 頻率探測(cè)結(jié)果上，正常區(qū)的β值范圍均值約為0.04 dB/m，取β值0.052 dB/m 為閾值圈定薄煤區(qū)范圍；Y3、Y8場(chǎng)強(qiáng)曲線表現(xiàn)出2段顯著的低場(chǎng)強(qiáng)值范圍(圖2g)，YC1范圍內(nèi)存在2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的高β值范圍，以煤厚2 m 為邊界，YC1區(qū)細(xì)分綜合考慮吸收系數(shù)成像、場(chǎng)強(qiáng)曲線圖及巷道揭露煤厚，圈定1-1和1-2區(qū)(圖3d 中虛線)，1-1區(qū)煤厚多為0～1 m，1-2區(qū)煤厚1.0～2.0 m，其余范圍煤厚2.0～5.0 m，與回采揭露一致(圖3實(shí)線范圍)。此結(jié)果表明0.965 MHz 頻率的無(wú)線電波菲涅爾帶窄，能量近線性傳播，能夠識(shí)別出走向上相距10 m 的2個(gè)薄煤程度更高的異常區(qū)；其他3個(gè)較低頻率的無(wú)線電波菲涅爾帶較寬，不能夠識(shí)別出2個(gè)相距較近的異常區(qū)。

4.2 透視場(chǎng)強(qiáng)、吸收系數(shù)與頻率

選取薄煤段1(Ⅱ段)、薄煤段3(Ⅲ段)、薄煤段4(Ⅳ段)和Y18(代表煤厚正常段)分析透視場(chǎng)強(qiáng)值變化特征，場(chǎng)強(qiáng)值H取各段所有接收?qǐng)鰪?qiáng)值的平均值，得到場(chǎng)強(qiáng)值與頻率變化圖(圖4a)。總體上隨頻率的升高，不同的煤厚變薄程度下，H值均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；同一頻率煤層越薄，H值越高。按煤厚變薄程度由高到低，不同頻率的場(chǎng)強(qiáng)值變化范圍：Ⅱ段為42～63 dB(差值21 dB)，Ⅲ段為50～68 dB(差值18 dB)，Ⅳ段為58～72 dB(差值14 dB)，Y18 為62～73 dB(差值11 dB)，表明煤層變薄程度越低，不同頻率的透視場(chǎng)強(qiáng)差異越小。

圖4 場(chǎng)強(qiáng)、吸收系數(shù)與頻率變化Fig.4 Variation of field strength,absorption coefficient and frequency variation

選取1-1 區(qū)(薄煤段1)、Ⅲ區(qū)(代表薄煤段3 所在YC1 范圍)、YC2 區(qū)(薄煤段4)和Y18(Y18 發(fā)射-接收扇形區(qū)，代表煤厚正常區(qū))分析煤巖層吸收系數(shù)值變化特征，β值取各區(qū)吸收系數(shù)值的平均值，得到β值與f值變化關(guān)系圖(圖4b)。總體上隨f升高，β值表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；同一頻率煤層變薄程度越低，β值越低，無(wú)線電波能量傳播的距離越遠(yuǎn)。按煤厚變薄程度由高到低，不同頻率的β值變化范圍：1-1 區(qū)為0.03～0.08 dB/m(差值0.05 dB/m)，Ⅲ段為0.025～0.060 dB/m(差值0.035 dB/m)，Ⅳ段為0.02～0.05 dB/m(差值0.03 dB/m)，Y18 為0.020～0.035 dB/m(差值0.015 dB/m)，表明煤層變薄程度越低，不同頻率的吸收系數(shù)值差異越小。

5 結(jié)論

a.對(duì)大范圍薄煤區(qū)探測(cè)提出了無(wú)線電波多頻率透視探測(cè)方法，對(duì)煤厚正常區(qū)、不同變薄程度的薄煤區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，得到了透視場(chǎng)強(qiáng)值、吸收系數(shù)值隨探測(cè)頻率的變化關(guān)系，為薄煤區(qū)的精細(xì)探測(cè)提供了理論依據(jù)。

b.同一工作面可以采用多個(gè)頻率探測(cè)，所研究工作面最佳的探測(cè)頻率為0.965 MHz；多頻率探測(cè)是對(duì)單頻率透視探測(cè)方法的重要補(bǔ)充，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤層變薄區(qū)的精細(xì)探測(cè)。

c.目前尚無(wú)能夠同時(shí)進(jìn)行多頻率探測(cè)的探測(cè)儀器，適用于多頻率數(shù)據(jù)處理的算法有待于進(jìn)一步研究，相應(yīng)的處理軟件也有待開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)多頻率探測(cè)的廣泛應(yīng)用。

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