礦井孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)方法

張 軍

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

無(wú)線電波透視法是煤礦常用的一種礦井地球物理方法，它能有效地探測(cè)采煤工作面附近隱伏地質(zhì)構(gòu)造。常用的觀測(cè)方式為發(fā)射機(jī)沿巷道逐點(diǎn)發(fā)射,接收機(jī)在另一巷道逐點(diǎn)接收，從而對(duì)工作面內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)[1-3]。

近年來(lái)科研人員對(duì)無(wú)線電波透視技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，主要集中在數(shù)值模擬、電磁波傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)處理解釋方面。2013年，劉鑫明等[4]開(kāi)展了無(wú)線電波透視基于改進(jìn)振幅衰減常數(shù)的層析成像研究，提高了層析成像的反演精度。2015年，肖玉林等[5]利用了不同發(fā)射頻率對(duì)煤層工作構(gòu)造進(jìn)行了探測(cè)，對(duì)比分析了不同頻率條件下異常構(gòu)造在層析成像中的反映情況，結(jié)論表明不同探測(cè)頻率的反演均對(duì)異常構(gòu)造有明顯響應(yīng)，低頻率的電磁波穿透性強(qiáng)，高頻率的電磁波反應(yīng)較靈敏。

礦井的諸多地質(zhì)構(gòu)造是影響安全生產(chǎn)的主要因素，因此需要更高精度的礦井地球物理設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)。常規(guī)使用的無(wú)線電磁波透視在探測(cè)時(shí)會(huì)受到來(lái)自礦井復(fù)雜環(huán)境下的各種干擾，影響探測(cè)效果。在探測(cè)施工時(shí)需要形成兩條巷道分別進(jìn)行發(fā)射和接收信號(hào)，在只有一條獨(dú)頭巷道的情況下無(wú)法使用該方法。因此，筆者研究了煤井孔-巷無(wú)線電磁波透視系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠解決獨(dú)頭巷道無(wú)法進(jìn)行無(wú)線電磁波透視探測(cè)的難題，而且能夠在接收信號(hào)的精度上有大幅度的提高，達(dá)到精細(xì)化探測(cè)的目的。

1 孔-巷無(wú)線電磁波透視理論

無(wú)線電磁波透視法是一種利用探測(cè)目標(biāo)與周圍介質(zhì)之間的電性差異，通過(guò)研究電磁波在巷道間傳播特性和衰減吸收的情況，來(lái)分析、判定目標(biāo)體位置、大小、形態(tài)及物性參數(shù)的一種常用的物探方法[6-9]。無(wú)線電磁波透視儀由主機(jī)，發(fā)射線圈、接收天線組成。通過(guò)主機(jī)進(jìn)行命令發(fā)送以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

礦井孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)是礦井無(wú)線電磁波透視探測(cè)的一種形式，與常規(guī)巷-巷無(wú)線電磁波透視施工不同的是，施工時(shí)采用固定發(fā)射線框于巷道，布設(shè)孔中接收探頭的探測(cè)方式，因?yàn)榻邮仗筋^置于鉆孔內(nèi)進(jìn)行接收，可以有效減弱外界干擾，提高信噪比。接收探頭在孔內(nèi)接收減小和異常體的距離，從而可以得到更強(qiáng)的響應(yīng)信號(hào)。

通過(guò)研究影響儀器性能的關(guān)鍵因素，采用高磁導(dǎo)率、磁芯孔中接收技術(shù)提高接收的靈敏度。根據(jù)無(wú)線電磁波透視信號(hào)特性，通過(guò)電磁感應(yīng)線圈拾取電磁場(chǎng)信號(hào)，根據(jù)使用環(huán)境，設(shè)計(jì)接收探頭的結(jié)構(gòu)。根據(jù)孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)原理，通過(guò)對(duì)井下施工方法、布極方式及現(xiàn)有無(wú)線電磁波透視的分析，設(shè)計(jì)適用于礦井的孔-巷無(wú)線電磁波透視系統(tǒng)。

1.1 無(wú)線電磁波透視理論

無(wú)線電波透視技術(shù)中的空間電磁波的場(chǎng)源實(shí)際上就是天線上的時(shí)變電流，求解天線信號(hào)問(wèn)題本質(zhì)上就是求解邊值問(wèn)題，即求解滿足的邊界條件解麥克斯韋方程組[10-12]。煤層工作面坑透通常采用的是偶極子天線發(fā)射，其電磁波的傳播公式[13]為

(1)

式中，E為介質(zhì)中某點(diǎn)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，μV;E0為初始場(chǎng)強(qiáng)值，μV;β為介質(zhì)吸收系數(shù);r為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)之間的直線距離，m;sinθ為方向因子，其中θ為發(fā)射天線軸與觀測(cè)點(diǎn)方向間的夾角。

式(1)為目前常用的無(wú)線電磁波透視的電磁波傳播公式[5-9]。在無(wú)線電磁波透視探測(cè)中，接收機(jī)接收到的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)單位為分貝值(dB)。根據(jù)麥克斯韋方程電場(chǎng)強(qiáng)度E與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系式為

(2)

經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到

H=H0-8.68(lnr+βr)

(3)

其中，H為實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度值，dB;H0為發(fā)射輻射磁場(chǎng)強(qiáng)度值，dB;β為相位常數(shù)，dB/m。式(3)為儀器實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式。由式(3)可以看出儀器實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值主要與發(fā)射輻射場(chǎng)強(qiáng)值、磁場(chǎng)發(fā)射與接收點(diǎn)的距離以及介質(zhì)的吸收系數(shù)有關(guān)[14-19]。

1.2 孔-巷無(wú)線電磁波入射角度的關(guān)系

式(3)為將θ默認(rèn)為90°計(jì)算得到的，在孔-巷無(wú)線電磁波透視中θ不都為90°。在進(jìn)行孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)中需要考慮發(fā)射天線軸與觀測(cè)點(diǎn)方向間的夾角對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。在計(jì)算發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)，應(yīng)根據(jù)發(fā)射天線軸與觀測(cè)點(diǎn)方向間的夾角計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的初始場(chǎng)強(qiáng)值[20]。

無(wú)線電波透視設(shè)備測(cè)量固定頻率的透射波的磁場(chǎng)(或電場(chǎng))分量，分析電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化就可以推斷介質(zhì)的物理性質(zhì)變化。實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)和輻射場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系[20-22]為

(4)

式中，p為振幅衰減常數(shù);θi為發(fā)射天線軸線與觀測(cè)點(diǎn)之間的夾角。

式(4)中的p為振幅衰減常數(shù)，其與振幅衰減系數(shù)α，相位系數(shù)β以及波數(shù)有關(guān)，有

(5)

其中，k1為波數(shù)，與電導(dǎo)率σ、真空磁導(dǎo)率μ0、介電常數(shù)ε0有關(guān)，即

(6)

通過(guò)式(4)～(6)可以看出，當(dāng)頻率一定時(shí)，振幅衰減常數(shù)p為煤(巖)介質(zhì)的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、及入射角的函數(shù)。說(shuō)明在考慮夾角影響的情況下，可以提高無(wú)線電波透視的精度[23-25]。

假設(shè)煤巖介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為8，電導(dǎo)率為1×10-3S/m，當(dāng)無(wú)線電波透視常用頻率分別為0.3,0.5,0.7，1.0 MHz時(shí)，振幅衰減常數(shù)p隨入射角度θi變化的關(guān)系如圖1所示。

圖1 衰減常數(shù)與入射角度變化關(guān)系Fig.1 Relation between attenuation constant and incident angle

由圖1可以看出，當(dāng)頻率固定時(shí)，振幅衰減常數(shù)p隨入射角度θi的增大而變大。說(shuō)明在進(jìn)行無(wú)線電透視探測(cè)時(shí)，電磁場(chǎng)信號(hào)入射角對(duì)探測(cè)結(jié)果影響較大。因此，在進(jìn)行無(wú)線電磁波探測(cè)時(shí)需要考慮入射角的變化對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，保證入射角一致，才能提高探測(cè)精度。

1.3 電磁波衰減與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

電磁波場(chǎng)的相位改變主要反映介質(zhì)的介電常數(shù)變化，對(duì)于電磁波透視中的過(guò)渡場(chǎng)，振幅衰減系數(shù)α和相位系數(shù)β的變化是電導(dǎo)率和介電常數(shù)共同作用的結(jié)果[26-30]。

將天線輻射的電磁波在研究區(qū)域內(nèi)等效為平面電磁波，計(jì)算傳播時(shí)煤巖介質(zhì)中經(jīng)典的振幅衰減常數(shù)[4]為

(7)

(8)

式中，ω為角頻率,rad/s;ε1為煤層介質(zhì)介電常數(shù),F/m;σ1為煤層介質(zhì)電導(dǎo)率，S/m。

礦井煤層及頂、底板不同類型的巖層影響電磁波傳播的物性特征，結(jié)合式(5)，(7)與(8)可計(jì)算出振幅衰減常數(shù)p與煤巖層電導(dǎo)率變化關(guān)系。計(jì)算出電磁波在不同煤(巖)介質(zhì)中傳播時(shí)與振幅衰減常數(shù)與煤巖層相對(duì)介電常數(shù)之間的規(guī)律，其變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 電磁波衰減常數(shù)與介電常數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relation between attenuation coefficient of electromagnetic wave and dielectric constant

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了礦井常見(jiàn)的砂巖、泥巖以及普通煤層電磁波衰減系數(shù)和波的頻率之間的關(guān)系。通過(guò)測(cè)試可以看出，不同煤(巖)層之間電磁波衰減系數(shù)變化差異較大。在頻率較低時(shí)，不同煤(巖)層間衰減系數(shù)相差不大，說(shuō)明在低頻條件下難以通過(guò)電磁波衰減系數(shù)區(qū)別煤(巖)層屬性;在頻率逐漸變高的過(guò)程中，不同煤(巖)層間衰減系數(shù)變化越來(lái)越大，說(shuō)明在高頻條件下易于通過(guò)電磁波衰減系數(shù)區(qū)別煤(巖)層屬性。

由于振幅衰減系數(shù)和相位系數(shù)的變化是電導(dǎo)率和介電常數(shù)共同作用的結(jié)果。需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法分別研究電導(dǎo)率和介電常數(shù)對(duì)衰減系數(shù)和相位系數(shù)的影響。

結(jié)合式(5)與(7)可計(jì)算出振幅衰減常數(shù)p與煤巖層電導(dǎo)率變化關(guān)系。假設(shè)煤層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為8，相對(duì)入射角θi為45°，無(wú)線電波透視頻率分別為0.1,0.3,0.5,1.0 MHz下振幅衰減常數(shù)p隨電導(dǎo)率σ變化的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 衰減常數(shù)與電導(dǎo)率變化關(guān)系Fig.3 Relation between attenuation constant and conductivity

由圖3可以看出，在頻率相同的情況下，衰減常數(shù)p隨電導(dǎo)率σ升高而變大，電導(dǎo)率對(duì)衰減常數(shù)的影響較大，說(shuō)明電磁波在電導(dǎo)率較高的介質(zhì)中衰減更快;當(dāng)頻率不同時(shí)，振幅衰減常數(shù)值隨電磁波的工作頻率升高而變大，說(shuō)明頻率較高的電磁波在介質(zhì)中衰減較快;當(dāng)頻率不同且電導(dǎo)率升高時(shí)，衰減常數(shù)隨電導(dǎo)率升高而快速升高，說(shuō)明高頻電磁波隨電導(dǎo)率變化比低頻電磁波更快。

使用相同的數(shù)值計(jì)算的方法，研究了介電常數(shù)對(duì)振幅衰減常數(shù)的影響。通過(guò)公式計(jì)算，認(rèn)為振幅衰減常數(shù)隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大而增大。

2 孔-巷無(wú)線電磁波透視工作方法

孔-巷無(wú)線電磁波透視與傳統(tǒng)巷-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)不但施工方式不同，而且在探測(cè)裝備的接收部分的硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方式上都有多差異。針對(duì)孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)的特殊條件不施工環(huán)境，設(shè)計(jì)了鉆孔接收天線，針對(duì)不同方式的鉆孔設(shè)計(jì)了不同類型的施工布置方法。鉆孔接收天線可有效減少巷道接收條件下的各種干擾，孔-巷探測(cè)方式的施工布置方法可更加接近異常地質(zhì)體，從而提高無(wú)線電磁波探測(cè)精度。

2.1 鉆孔接收天線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)無(wú)線電磁波透視采用兩個(gè)巷道分別發(fā)射與接收的探測(cè)方式，首先需要保證有兩個(gè)可供施工的巷道，如果只有一條掘進(jìn)巷道則無(wú)法開(kāi)展無(wú)線電磁波探測(cè)工作。提出的孔-巷無(wú)線電磁波透視是在只有一條獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的情況下，利用巷道和巷道中的鉆孔形成工作條件，進(jìn)行無(wú)線電磁波透視，達(dá)到探測(cè)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的目的。由于常規(guī)無(wú)線電磁波透視天線面積較大，無(wú)法適用于孔-巷探測(cè)的任務(wù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要針對(duì)鉆孔接收天線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，根據(jù)孔-巷無(wú)線電磁波透視施工的需要，設(shè)計(jì)了孔-巷無(wú)線電磁波透視接收天線，鉆孔接收天線電路原理如圖4所示。

圖4 鉆孔接收天線電路原理Fig.4 Schematic diagram of borehole receiving antenna

根據(jù)常規(guī)鉆孔規(guī)格，進(jìn)行設(shè)計(jì)的鉆孔天線的技術(shù)指標(biāo)如下:鉆孔接收天線設(shè)計(jì)適用于鉆孔深度不大于200 m;孔徑不小于70 mm;接收線圈外徑為50 mm;電壓分辨率為1 mV;等效接收面積約200 m2。圖5為鉆孔接收天線示意。

圖5 接收天線示意Fig.5 Schematic diagram of receiving magnetic field antenna

由圖5可以看出，孔-巷無(wú)線電磁波透視接收天線外筒內(nèi)封裝信號(hào)接收電路、放大電路、濾波電路和電池，外筒前端封裝接收線圈和磁芯，接收線圈與信號(hào)放大電路相連，外筒一端設(shè)置有天線開(kāi)關(guān)與電纜接口。接收天線可有效提高天線的靈敏度，提高信號(hào)信噪比，為精細(xì)測(cè)量打好基礎(chǔ)，適用于解決中、淺部地質(zhì)問(wèn)題。

由于常規(guī)巷-巷無(wú)線電磁波探測(cè)采用在巷道中使用常規(guī)線圈發(fā)射，同時(shí)在巷道中采用常規(guī)線圈接收的探測(cè)方式，探測(cè)時(shí)收到巷道條件干擾影響較大。針對(duì)這樣的問(wèn)題設(shè)計(jì)研制了如圖5所示的三分量接收探頭，實(shí)現(xiàn)了接收探頭內(nèi)部的放大電路、信號(hào)切換電路等主要電路。磁芯線圈是將磁棒插入空芯線圈中組成的，磁芯線圈的面積是由空心線圈的面積和磁棒材料的磁導(dǎo)率決定，對(duì)提高接收效果有直接的影響。通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，證明了三分量磁感應(yīng)探頭技術(shù)的礦用孔-巷瞬變電磁儀工作性能穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)可靠，探測(cè)的地質(zhì)解釋結(jié)果較常規(guī)巷-巷探測(cè)結(jié)果更加精確。

鉆孔無(wú)線電磁波接收天線裝置增加了探測(cè)距離，提高了探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在進(jìn)行孔-巷無(wú)線電磁波透視施工過(guò)程中，由主機(jī)發(fā)送命令給發(fā)射控制電路，發(fā)射控制電路根據(jù)收到的指令進(jìn)行控制，使發(fā)射線圈形成一次磁場(chǎng)，一次場(chǎng)向地層傳播，傳播過(guò)程中由鉆孔內(nèi)的磁感應(yīng)天線接收。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)接收控制部分處理，傳到主機(jī)中進(jìn)行顯示處理。

2.2 施工布置方法

孔-巷無(wú)線電磁波透視施工不同于以往的雙巷探測(cè)。在進(jìn)行孔-巷探測(cè)時(shí)，接收天線布置在已施工的鉆孔中，接收天線為特制的磁接收天線。

煤礦井下鉆孔有瓦斯鉆孔、探放水鉆孔以及地質(zhì)孔等，不同的鉆孔有其各自的特點(diǎn)。瓦斯鉆孔直徑相比其他鉆孔較大，鉆孔深度較深，主要用于瓦斯抽放;探放水鉆孔及地質(zhì)鉆孔直徑相比較小，探放水鉆孔主要用于超前探放水或其他區(qū)域煤(巖)層探放水;地質(zhì)鉆孔主要用于超前探測(cè)或其他區(qū)域地質(zhì)探測(cè)，例如探測(cè)斷層、陷落柱等。

根據(jù)礦井鉆孔施工的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了針對(duì)礦井工作面探測(cè)的2種不同類型的孔-巷無(wú)線電磁波透視施工布置方法。

(1)利用與信號(hào)發(fā)射巷道近平行的瓦斯抽放鉆孔，在瓦斯抽放孔中布置接收天線，接收磁感應(yīng)信號(hào)。發(fā)射與接收觀測(cè)系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)巷-巷發(fā)射接收系統(tǒng)，但是在只有單條巷道條件下，利用已有鉆孔布置接收天線完成施工的，此時(shí)接收線圈與垂直接收的線圈方向相同。發(fā)射線圈在巷道中進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，設(shè)計(jì)發(fā)射點(diǎn)距為20 m，接收天線在鉆孔中接收，設(shè)計(jì)接收天線點(diǎn)距為5 m，通過(guò)巷道發(fā)射信號(hào)，鉆孔接收達(dá)到探測(cè)的目的，探測(cè)示意如圖6(a)所示。

(2)利用與巷道近垂直的各種鉆孔，在鉆孔中布置接收天線。發(fā)射線圈在巷道中進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，設(shè)計(jì)發(fā)射點(diǎn)距為20 m，接收天線在鉆孔中接收，設(shè)計(jì)接收天線點(diǎn)距為5 m，同樣，通過(guò)巷道發(fā)射信號(hào)，鉆孔接收天線接收信號(hào)達(dá)到探測(cè)的目的，探測(cè)示意如圖6(b)所示。

通過(guò)巷道-平行鉆孔、巷道-垂直鉆孔等不同的組合方式，達(dá)到精細(xì)化探測(cè)獨(dú)頭巷道情況下煤層地質(zhì)構(gòu)造的目的。該方法改變了以往需要2條巷道進(jìn)行無(wú)線電磁波透視探測(cè)的條件限制?？梢猿浞掷孟锏乐幸呀?jīng)形成的各種鉆孔進(jìn)行隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，該方法即提高了鉆孔利用率，又解決了地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化探測(cè)問(wèn)題。

2.3 鉆孔軌跡控制

孔-巷無(wú)線電波透視的觀測(cè)方法中，接收天線利用鉆孔空間進(jìn)行等間距逐點(diǎn)測(cè)量。由于鉆孔軌跡的質(zhì)量首先受鉆孔開(kāi)孔精度的影響。鉆孔開(kāi)孔精度在鉆探作為煤礦瓦斯、水害等災(zāi)害預(yù)防的手段中尤為重要。目前，大多數(shù)煤礦仍然采用傳統(tǒng)簡(jiǎn)單測(cè)量工具結(jié)合人工測(cè)量的方法測(cè)定開(kāi)孔方位角和傾斜角，其操作程序繁瑣，精度極低。為解決此問(wèn)題，需要使用礦用開(kāi)孔定向裝置，精確控制鉆孔開(kāi)孔角度。

在鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔軌跡也會(huì)產(chǎn)生傾斜，因此，需要對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量鉆孔軌跡中的傾角和方位角變化，繪制鉆孔軌跡左右偏差和上下偏差圖，在進(jìn)行孔-巷無(wú)線電波透視觀測(cè)時(shí)，將該鉆孔軌跡數(shù)據(jù)參與無(wú)線電磁波透視的數(shù)據(jù)計(jì)算中，使計(jì)算數(shù)據(jù)更加精確。

3 數(shù)值模擬

為指導(dǎo)孔-巷無(wú)線電波透視的觀測(cè)方法，尋找有效的正反演參數(shù)，采用編制的時(shí)域有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬，研究電磁波在煤層中傳播的波場(chǎng)特征。以掘進(jìn)巷道與鉆孔結(jié)合的地質(zhì)模型為例，通過(guò)正演模擬，研究電磁波對(duì)地質(zhì)異常的響應(yīng)特征，設(shè)計(jì)可靠的孔-巷結(jié)合的電磁波透視探測(cè)方法。

這里主要針對(duì)巷道-與巷道垂直鉆孔進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)模擬分別研究電磁波在煤層中遇到斷層和陷落柱時(shí)的波場(chǎng)特征及信號(hào)響應(yīng)規(guī)律。

3.1 模擬參數(shù)的選擇

根據(jù)電磁波在常見(jiàn)煤巖介質(zhì)中的電性參數(shù)分布規(guī)律，對(duì)煤層及煤層中常見(jiàn)的斷層以及陷落柱的地質(zhì)異常體的電學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料屬性Table 1 Material affection of model

3.2 孔-巷探測(cè)方法模擬模型

區(qū)別于常規(guī)無(wú)線電透視探測(cè)方法，孔-巷無(wú)線電透視探測(cè)發(fā)射天線位于掘進(jìn)巷道中，接收天線位于鉆孔中，鉆孔中的接收天線的接收效果與電磁波入射角度關(guān)系較大。無(wú)線電磁波透視的中高頻電磁波場(chǎng)屬于擴(kuò)散場(chǎng)，單獨(dú)測(cè)量衰減系數(shù)無(wú)法充分利用煤層透射電磁波所攜帶的全部地電信息。當(dāng)接收點(diǎn)延鉆孔逐點(diǎn)探測(cè)時(shí)，相對(duì)于發(fā)射點(diǎn)的入射角度θi，接收點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射點(diǎn)的入射角度不斷變化且不為0，遠(yuǎn)端接收點(diǎn)相對(duì)發(fā)射點(diǎn)的入射角度較大。因此，在測(cè)量衰減系數(shù)的同時(shí)需要考慮電磁波信號(hào)入射角度對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

為研究煤層中的電磁波在遇到常見(jiàn)的斷層及陷落柱等地質(zhì)異常體時(shí)的電磁波衰減特性，對(duì)煤層中的常見(jiàn)異常類型進(jìn)行模型模擬，斷層使用條帶狀模型模擬，陷落柱使用圓形模型模擬。設(shè)定發(fā)射天線及接收天線頻率為0.5 MHz，發(fā)射天線位于掘進(jìn)巷道中，接收天線位于與巷道方法垂直的鉆孔中。

以條帶狀低阻、高介電常數(shù)異常區(qū)代表斷層模型，研究斷層存在對(duì)電磁波場(chǎng)的影響。煤層電導(dǎo)率1×10-4S/m，煤的相對(duì)介電常數(shù)為4，含水?dāng)鄬赢惓^(qū)的電導(dǎo)率為0.1 S/m，相對(duì)介電常數(shù)10，模擬區(qū)域?yàn)?50 m×200 m，斷層長(zhǎng)度為100 m，模型如圖7(a)所示;在模擬區(qū)域正中心放置一個(gè)低阻、高介電常數(shù)圓形異常模擬陷落柱，陷落柱的電導(dǎo)率為0.1 S/m，相對(duì)介電常數(shù)10，異常直徑為50 m，模型如圖7(b)所示。

圖7 不同異常的模擬模型Fig.7 Simulation model of different anomalies

通過(guò)設(shè)計(jì)不同類型的模型，計(jì)算不同模型條件下孔-巷無(wú)線電波透視的異常反應(yīng)特征，研究當(dāng)電磁波傳播時(shí)，電磁波的衰減系數(shù)受介質(zhì)電導(dǎo)率、介質(zhì)常數(shù)的影響程度。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁波傳播時(shí)，衰減系數(shù)主要受介質(zhì)電導(dǎo)率的影響，相位系數(shù)主要與介質(zhì)常數(shù)有關(guān)，模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同異常類型的場(chǎng)強(qiáng)值Fig.8 Magnetic field intensity values of different anomalous

由圖8可以看出，模型中對(duì)斷層以及陷落柱模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度值模擬說(shuō)明斷層對(duì)于電磁波的能量有較強(qiáng)的衰減作用，陷落柱對(duì)于電磁波的能量有比斷層更強(qiáng)的衰減作用，觀測(cè)不同構(gòu)造類型的磁場(chǎng)強(qiáng)度信息并進(jìn)行反演將提高目前成像方法的精度。用振幅衰減系數(shù)α建立的低阻斷層與陷落柱模型衰減層析圖像結(jié)果，如圖9所示。

圖9 振幅衰減系數(shù)α數(shù)值模擬Fig.9 Numerical simulation of amplitude attenuation coefficient α

由圖9可以看出，利用孔-巷無(wú)線電磁波透視可以較好地對(duì)地層中的斷層和陷落柱異常模擬成像。當(dāng)存在斷層或陷落柱構(gòu)造時(shí)，效果明顯，斷層或陷落柱的實(shí)際位置和走向能準(zhǔn)確判定。

上面僅就簡(jiǎn)單的異常構(gòu)造進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，在煤礦井下不同性質(zhì)和地質(zhì)成因的異常構(gòu)造經(jīng)常伴生發(fā)育，同一個(gè)異常區(qū)中存在多個(gè)不同異常構(gòu)造時(shí)，規(guī)模較大的構(gòu)造異常往往掩蓋規(guī)模較小的異常，數(shù)據(jù)解釋時(shí)只能將其圈定為一個(gè)異常區(qū)域。

4 實(shí)際應(yīng)用

山西某煤礦工作面，掘進(jìn)巷道600 m，為查清巷道左側(cè)隱伏小構(gòu)造情況，采用孔-巷無(wú)線電磁波透視的方法進(jìn)行探測(cè)，對(duì)已掘巷道打鉆進(jìn)行隱伏構(gòu)造探測(cè)。根據(jù)無(wú)線電磁波透視技術(shù)特點(diǎn)，每間隔150 m施工一個(gè)鉆孔，鉆孔深度120 m左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件共施工5個(gè)鉆孔，鉆孔直徑73 mm，探測(cè)設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

圖10 孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)設(shè)計(jì)Fig.10 Radio magnetic wave perspective detection design of hole-roadway

考慮到探測(cè)分析需采用實(shí)測(cè)信號(hào)更強(qiáng)的結(jié)果更加可靠，探測(cè)時(shí)采用較低的300 kHz頻段，低頻磁場(chǎng)可以在煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜異常區(qū)仍能接收到較好的信號(hào)。探測(cè)采用在巷道使用線圈發(fā)射無(wú)線電磁波信號(hào)，為保證探測(cè)效果更加精細(xì)，發(fā)射線圈點(diǎn)距為10 m;在鉆孔每間隔2 m的距離使用鉆孔專用接收天線接收。

通過(guò)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，正常煤層段場(chǎng)強(qiáng)值與地質(zhì)異常段場(chǎng)強(qiáng)值差異明顯。對(duì)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行不同參數(shù)的處理，更加直觀地反映構(gòu)造異常區(qū)的分布狀態(tài)，結(jié)合巷道已施工的鉆孔資料，做出了較為準(zhǔn)確的精細(xì)化數(shù)據(jù)解釋，為工作面回采提供準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)。

探測(cè)數(shù)據(jù)采用層析成像數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，由圖11的探測(cè)成果圖以及圖12的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖可以看出，成果圖反映的地質(zhì)異常段共有4處，分別標(biāo)記為1～4號(hào)異常區(qū)，其中，1號(hào)異常區(qū)推斷為大型陷落柱，位于巷道50～0 m處，為團(tuán)狀的相對(duì)高衰減系數(shù)值和相對(duì)低場(chǎng)強(qiáng)值。2號(hào)異常區(qū)推斷為小型陷落柱，位于巷道260～270 m處，該異常區(qū)導(dǎo)致出現(xiàn)更高的衰減系數(shù)值和相對(duì)低的場(chǎng)強(qiáng)值。3號(hào)異常區(qū)推斷為斷層，位于巷道460～500 m處，表現(xiàn)為條帶狀的相對(duì)高衰減系數(shù)值和相對(duì)低場(chǎng)強(qiáng)值。4號(hào)異常區(qū)推斷為斷層，位于巷道530～560 m處，表現(xiàn)為條帶狀的相對(duì)高衰減系數(shù)值和相對(duì)低場(chǎng)強(qiáng)值。

圖11 無(wú)線電磁波透視衰減系數(shù)成果Fig.11 Radio-magnetic wave perspective detection results

圖12 實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線Fig.12 Field strength curves

以上推斷異常區(qū)根據(jù)工作面回采驗(yàn)證情況看，主要地質(zhì)異常的范圍控制較好，分析工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)與位置情況。孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)結(jié)果與實(shí)際回采驗(yàn)證結(jié)果吻合較好，該方法可以應(yīng)用于實(shí)際探測(cè)。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)無(wú)線電磁波透視理論方法的研究以及礦井生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，研究了孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)方法，該方法可有效解決常規(guī)無(wú)線電磁波透視探測(cè)中存在的在獨(dú)頭掘進(jìn)巷道中無(wú)法進(jìn)行構(gòu)造探測(cè)的問(wèn)題，孔-巷無(wú)線電磁波透視可在獨(dú)頭巷道中利用巷道和鉆孔進(jìn)行無(wú)線電磁波透視探測(cè)，達(dá)到精細(xì)化探測(cè)的目的。

(2)分析了孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)可行性以及相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，模擬了孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)的磁場(chǎng)分布規(guī)律和探測(cè)效果，通過(guò)數(shù)值模擬說(shuō)明該方法可有效地進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)任務(wù)。

(3)對(duì)孔-巷無(wú)線電磁波透視實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了層析成像成圖分析，經(jīng)過(guò)煤層工作面回采，推斷的探測(cè)異常區(qū)均得到了準(zhǔn)確驗(yàn)證，說(shuō)明該方法對(duì)于礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)確實(shí)有效。

(4)通過(guò)理論、數(shù)值模擬以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來(lái)看，孔-巷無(wú)線電磁波透視探測(cè)方法能夠較好的解決常規(guī)無(wú)線電磁波透視探測(cè)無(wú)法解決的問(wèn)題。但是由于不同礦井煤(巖)層的物理力學(xué)性質(zhì)存在多樣性與復(fù)雜性，因此，需要結(jié)合實(shí)際的煤(巖)層物性進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。另外，無(wú)線電磁波透視超前探測(cè)也是今后需要研究的方向。

(5)在通過(guò)巷道與鉆孔結(jié)合的方式，改變了傳統(tǒng)的探測(cè)方法，對(duì)隱伏地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了更加精細(xì)化的探測(cè)。該方法在今后的煤礦生產(chǎn)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。