顧煥琪 ，吳榮新 ,2，沈國(guó)慶 ，胡澤安 ,2

(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)

在新一輪的礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃期和展望期 (2020?2030 年)中，由于我國(guó)煤炭資源豐富、少氣、貧油的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仍決定了煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的主體地位，在未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。近幾年煤礦機(jī)械化和綜合機(jī)械化在全國(guó)已逐步普及，“有人巡視，無(wú)人值守”的智能化精準(zhǔn)開(kāi)采成為我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展主流[3]。煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的提出要求礦井地質(zhì)工作更標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、透明化，而我國(guó)煤層的賦存條件復(fù)雜，煤炭開(kāi)采難度較大[4-5]。工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造發(fā)育、煤層傾角大幅度變化、煤層變薄區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件也會(huì)造成瓦斯突出、水害等一系列的煤礦地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)生命健康及財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的危害。查明工作面內(nèi)斷層等地質(zhì)異常體，礦井工作面地質(zhì)條件透明化，是煤炭智能化精準(zhǔn)開(kāi)采的重要基礎(chǔ)。目前地震勘探法、直流電阻率法、無(wú)線電波透視等方法廣泛應(yīng)用于工作面地質(zhì)異常探查，但對(duì)于一些落差小于1/3 煤厚的斷層，探測(cè)精度亟需提高。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)無(wú)線電波透視技術(shù)對(duì)其傳播理論、成像算法、觀測(cè)應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)。在傳播理論方面：在層狀地電模型和單一介質(zhì)模型中，煤層頂?shù)装咫娦宰兓兔簩雍穸葧?huì)對(duì)相位造成影響[6-7]。通過(guò)COMSOL 建模發(fā)現(xiàn)礦井井下巷道尺寸和收發(fā)位置對(duì)井下巷道無(wú)線電波傳播也有顯著影響[8-9]。在成像算法方面：用預(yù)選的強(qiáng)制諧振方式的煤層波導(dǎo)進(jìn)行無(wú)線電波成像研究是有一定局限性的[10]。在煤層波導(dǎo)模型中，電磁波在煤層中傳播過(guò)程中相位產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，應(yīng)用ANSYS 進(jìn)行正演，驗(yàn)證了相位層析成像的可行性[11-12]；而利用改進(jìn)的振幅衰減常數(shù)也大大提高了探測(cè)精度[13]。此外，初始場(chǎng)強(qiáng)的確定對(duì)無(wú)線電波的成像精度有一定的影響，由初始場(chǎng)強(qiáng)值、吸收系數(shù)值和背景場(chǎng)強(qiáng)值可以有效確定工作面透視寬度值[14-15]。在應(yīng)用方面用多頻率無(wú)線電波探測(cè)大范圍的薄煤區(qū)其效果良好[16]。

由隱伏構(gòu)造引發(fā)的礦井突水問(wèn)題嚴(yán)重威脅著礦井安全。常用來(lái)探測(cè)斷層等地質(zhì)構(gòu)造的物探手段有槽波地震，三維地震，直流電法，無(wú)線電波透視。高密度全數(shù)字三維地震勘探技術(shù)，經(jīng)過(guò)二次處理后，提高了地震資料的信噪比和分辨率，在識(shí)別小斷層、查找陷落柱、刻畫灰?guī)r地層裂隙等方面效果顯著[17]。并且利用槽波相對(duì)透射系數(shù)層析成像方法也可清晰地反演出高度小于1/3 煤厚的巷道的位置及形態(tài)[18]。

無(wú)線電波透視探測(cè)作為非接觸式高頻電磁波勘探技術(shù)，憑借其儀器輕便、探測(cè)人員少、數(shù)據(jù)采集快和探測(cè)效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，成為探查工作面異常地質(zhì)構(gòu)造的常規(guī)和必備手段[19]。但仍存在無(wú)線電波傳播研究薄弱，無(wú)線電波信號(hào)在煤層中的能量衰減較快，大寬度煤層工作面透射無(wú)線電波探測(cè)面臨制約等問(wèn)題。基于此，本文提出煤層工作面無(wú)線電波反射探測(cè)方法，研究電磁波經(jīng)異常體反射后的電磁波信號(hào)變化，為探測(cè)地質(zhì)異常構(gòu)造提供一種新思路，提高探測(cè)精度。

1 反射無(wú)線電波勘探原理

1.1 煤層中無(wú)線電波傳播原理

電磁波在含煤地層進(jìn)行垂直和平行傳播，垂直層理介質(zhì)不均勻，水平層理介質(zhì)近似均勻，其強(qiáng)度、相位大小直接與巖礦石的電阻率ρ、介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ等電磁參數(shù)有關(guān)。不同的電磁參數(shù)，對(duì)電磁波能量吸收不同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成一定的能量損耗。

采煤工作面巷道布置在同一煤層中，無(wú)線電波發(fā)射和接收均在同一煤層中，介質(zhì)均勻。設(shè)輻射源中點(diǎn)O為原點(diǎn)，煤層中發(fā)射點(diǎn)P到接收點(diǎn)的直線距離為r，煤層中電磁波在任意點(diǎn)強(qiáng)度表示為：

式中：Hm為任一點(diǎn)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)；H0為發(fā)射介質(zhì)初始場(chǎng)強(qiáng)，μV；β為介質(zhì)吸收系數(shù)，dB/m ；θ為發(fā)射天線軸與觀測(cè)點(diǎn)方向間的夾角，(°)。由式(1)可見(jiàn)，場(chǎng)強(qiáng)Hm大小隨r、β變化，射線路徑中介質(zhì)β值是場(chǎng)強(qiáng)變化的關(guān)鍵：

由式(2)可知，在一定頻率下，β是電導(dǎo)率σ、介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ、工作頻率f的函數(shù)，角速度w=2πf。頂?shù)装迮c煤層的導(dǎo)磁率差異很小，但介電常數(shù)變化較大，在電波射線路徑出現(xiàn)斷層、陷落柱、剝蝕帶，β與Hm值會(huì)發(fā)生明顯變化。

1.2 反射無(wú)線電波勘探原理

傳統(tǒng)無(wú)線電波透視的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)位于雙巷中，發(fā)射機(jī)在工作面一側(cè)巷道發(fā)射電磁波，接收機(jī)在另一側(cè)巷道接收經(jīng)過(guò)煤層透射過(guò)來(lái)的電波。但是這種方式對(duì)于大面寬的工作面以及單巷道的煤層來(lái)說(shuō)無(wú)法準(zhǔn)確有效地探測(cè)出地質(zhì)異常區(qū)的賦存情況。采用無(wú)線電波反射方法探查地質(zhì)異常區(qū)，可以僅需單巷道進(jìn)行探測(cè)，獲取探測(cè)區(qū)地質(zhì)異常的深度及范圍，操作簡(jiǎn)單，提高探測(cè)分辨率，原理如圖1 所示。

圖1 回采無(wú)線電波反射勘探Fig.1 Radio wave reflection exploration in mining face

高頻電磁波的傳播路線可以用直射線近似，而無(wú)線電磁波的頻率段屬于高頻電磁波，所以基于直射線的無(wú)線電波傳播理論同樣適用于反射[20]。

當(dāng)發(fā)射的無(wú)線電波在巷道周圍未遇到地質(zhì)異常區(qū)，則無(wú)反射無(wú)線電波到達(dá)該接收點(diǎn)；接收點(diǎn)測(cè)量的場(chǎng)值為發(fā)射源通過(guò)巷道空腔及巷道表面?zhèn)鞑サ臒o(wú)線電波直達(dá)能量，該接收點(diǎn)的理論場(chǎng)強(qiáng)值B0為：

式中：X0為發(fā)射點(diǎn)和該接收點(diǎn)間的間距；A為無(wú)線電發(fā)射機(jī)發(fā)出的無(wú)線電波場(chǎng)強(qiáng)值；β2為無(wú)線電波在鉆孔空腔及鉆孔液傳播的能量衰減系數(shù)。

若該接收點(diǎn)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值BP=B0，則說(shuō)明該接收點(diǎn)接收的反射無(wú)線電波未遇到地質(zhì)異常區(qū)。若任一接收點(diǎn)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值BP≠B0，則說(shuō)明該接收點(diǎn)接收的反射無(wú)線電波遇到地質(zhì)異常區(qū)。此時(shí)該接收點(diǎn)的理論場(chǎng)強(qiáng)值BP：

當(dāng)反射系數(shù)和X0不變時(shí)，設(shè)β為0，β2為0.01，X0為60 m，當(dāng)在遠(yuǎn)端時(shí)，理論場(chǎng)強(qiáng)值對(duì)實(shí)際接收?qǐng)鰪?qiáng)影響不大，可忽略不計(jì)，得到地質(zhì)異常區(qū)距離發(fā)射點(diǎn)所處巷道的深度DP與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系圖，如圖2 所示。由圖2 可知，隨著DP的增大，實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小。根據(jù)理論分析，當(dāng)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)距離以及地質(zhì)異常區(qū)距巷道深度過(guò)大時(shí)，反射系數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值的影響不大。

圖2 地質(zhì)異常區(qū)的反射無(wú)線電波理論場(chǎng)強(qiáng)曲線Fig.2 Theoretical field intensity curve of reflected radio waves in geological anomaly area

2 二維數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 GprMax 模擬理論基礎(chǔ)

Maxwell 方程組描述電磁場(chǎng)各屬性參數(shù)之間的相互關(guān)系，在宏觀上，所有的電磁現(xiàn)象都可利用Maxwell 方程組進(jìn)行描述。時(shí)域差分算法直接求解依賴于時(shí)間變量的Maxwell 旋度方程組，在一定尺度的時(shí)空間隔上對(duì)邊界電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)抽樣，直接模擬電磁波的時(shí)域作用過(guò)程。

式中：Hx、Hy、Ez分別為x、y方向磁場(chǎng)和z方向電場(chǎng)；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m；σe為電導(dǎo)率，S/m；σm為等效磁導(dǎo)率，W/m。

GprMax 是Giannopoulos 推出的一種基于時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)算法和理想匹配層(Perfectly Matched Layer，PML) 邊界吸收條件的電磁波二維、三維數(shù)值模擬軟件[21-22]。該軟件可以模擬電磁波在不同相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)及異常體模型中的波場(chǎng)分布，得到地下各地層及異常體的電磁波響應(yīng)信號(hào)。

2.2 水平煤層同巷模擬

為了全面認(rèn)識(shí)同巷內(nèi)無(wú)線電波的傳播規(guī)律和波場(chǎng)特征，構(gòu)建二維含煤地層電性模型，分析研究反射無(wú)線電波在煤層中的傳播衰減特征。非磁性常規(guī)介質(zhì)的典型電性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型介質(zhì)參數(shù)Table 1 Model medium parameters

模擬區(qū)域250 m×100 m，模型巷道自由空間厚10 m，煤巖混合物沿著中間巷道上下對(duì)稱。模擬網(wǎng)格步長(zhǎng)為Δx=Δy=0.5 m，模擬時(shí)窗tw=30 μs。在巷道中發(fā)射一個(gè)頻率為1 MHz，振幅為105的連續(xù)正弦波。發(fā)射源初始位置為(50 m，50 m)，設(shè)置30 個(gè)間距為5 m的接收點(diǎn)(55～200 m)，數(shù)值模型（模型1）如圖3 所示。

圖3 正常煤層數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model of normal coal seam

基于二維模型，得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩分量的數(shù)值模擬信號(hào)。取接收位置75 m 處電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量模擬信號(hào)如圖4 所示。

圖4 正常煤層模型75 m 處信號(hào)Fig.4 Signals at 75 m of normal coal seam model

數(shù)值模擬結(jié)果整體呈正弦信號(hào)的特征，對(duì)每個(gè)接收點(diǎn)的Hx分量正弦信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，選取變換結(jié)果中頻率為1 MHz 所對(duì)應(yīng)的振幅A，并根據(jù)下式計(jì)算得到每個(gè)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值如圖5 所示。

圖5 無(wú)線電波Hx 分量能量衰減曲線Fig.5 Energy attenuation curve of Hx component of radio wave

由場(chǎng)強(qiáng)值隨距離變化曲線可以看出，Hx分量信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值隨著電磁波的傳播呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，由此可以證明，無(wú)線電波在煤層中傳播時(shí)的能量衰減在源檢距5～100 m 范圍內(nèi)，符合近似線性衰減規(guī)律。在150 m之后由于能量過(guò)小，計(jì)算誤差的存在導(dǎo)致數(shù)據(jù)信噪比降低。但總體而言，無(wú)線電波在煤層巷道中Hx分量信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值衰減與傳播距離呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。該規(guī)律為無(wú)線電波反射奠定了理論基礎(chǔ)。

2.3 斷層異常同巷模擬

構(gòu)建含有斷層煤層的二維模型，模擬尺寸250 m×100 m，模型巷道自由空間厚10 m，介質(zhì)材料同水平煤層模型相同(表1)。模擬網(wǎng)格步長(zhǎng)為Δx=Δy=0.5 m，模擬時(shí)窗tw=30 μs，在100 m 處設(shè)置距離巷道5、10、15、20、25、30 m 等不同距離的斷層。在巷道50m 處發(fā)射一個(gè)頻率為1 MHz，振幅為105的連續(xù)正弦波。接收點(diǎn)間距為5 m(55～200 m)，含斷層數(shù)值模型（模型2）如圖6 所示。

圖6 含斷層煤層數(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model of coal seam with fault

由于無(wú)線電波信號(hào)的波長(zhǎng)較大(百米級(jí))，在時(shí)間域內(nèi)難以進(jìn)行直達(dá)波和反射波的區(qū)分，但在合適的源檢距情況下，存在反射波疊加的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)于無(wú)反射波的信號(hào)。基于斷層二維數(shù)值模型，可以得到100 m處相應(yīng)的兩分量電磁波數(shù)值模擬信號(hào)如圖7 所示，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果中不同位置斷層的Hx分量信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出不同位置斷層Hx分量的場(chǎng)強(qiáng)值如圖8 所示。與無(wú)斷層煤層相比，含有斷層的Hx分量場(chǎng)強(qiáng)值在斷層附近處會(huì)發(fā)生數(shù)值突變，場(chǎng)強(qiáng)值先增大再隨之減?。徊⑶译S著斷層距巷道距離的增大，反射能量隨之減小，當(dāng)斷層距巷道25 m 以后，場(chǎng)強(qiáng)值突變不明顯。

圖7 含斷層煤層模型100 m 處信號(hào)Fig.7 Signals of fault location coal seam model at 100 m

圖8 不同位置斷層無(wú)線電波Hx 分量能量衰減曲線Fig.8 Energy attenuation curves of Hx component of fault radio wave at different positions

通過(guò)數(shù)值模擬得到的能量衰減曲線圖與理論上的場(chǎng)強(qiáng)圖(圖2)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)斷層與巷道的距離增大時(shí)，反射波的能量會(huì)減小。模擬結(jié)果大致與理論相符，驗(yàn)證了本次模擬的有效性。

3 工程實(shí)例

3.1 工作面概況

某礦1231(1)工作面走向長(zhǎng)1 550～1 580 m，傾斜長(zhǎng)213 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)采煤層為11-3 煤，煤厚0.4～3.0 m，平均1.7 m，黑色塊狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育，瀝青光澤，以暗煤為主，含亮煤，屬半亮型煤。煤層賦存較穩(wěn)定，總體上呈單斜狀，北高南低，煤(巖)層產(chǎn)狀180°～215°∠5°～35°，平均傾角24°。工作面煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為細(xì)砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖。該面在掘進(jìn)過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)斷層12 條，其中落差≥3 m的有2 條(表2)。

表2 落差≥3 m 斷層產(chǎn)狀Table 2 Fault occurrence with fall ≥ 3 m

3.2 工作方法

本次探測(cè)選用YDT88 礦用無(wú)線電波透視儀。根據(jù)工作面揭露的地質(zhì)構(gòu)造以及探測(cè)長(zhǎng)度面寬等因素，采用0.965 MHz 進(jìn)行整條巷道的無(wú)線電波反射探測(cè)。為確保儀器的穿透距離和探測(cè)精度，在軌道巷、運(yùn)輸巷各布置9 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，運(yùn)輸巷發(fā)射點(diǎn)布置在離切眼30 m的位置上，每隔10 m 設(shè)置一個(gè)接收點(diǎn)，發(fā)射點(diǎn)不動(dòng)，依次在預(yù)設(shè)好的接收點(diǎn)上接收，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)18 個(gè)接收點(diǎn)，因此，每條測(cè)線180 m，分別記錄下每個(gè)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值。

為了研究斷層下無(wú)線電波反射的衰減特性，在軌順離切眼1 080～1 360 m 斷層發(fā)育較好的地段，設(shè)置一個(gè)發(fā)射點(diǎn)位于1 080 m 處，每隔10 m 一個(gè)接收點(diǎn)，共計(jì)28 個(gè)接收點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)280 m，分別記錄下每個(gè)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值。

3.3 探測(cè)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)勘探數(shù)據(jù)處理分析得到整條巷道圖（圖9）以及斷層下巷道場(chǎng)強(qiáng)衰減曲線圖（圖10），從整條巷道的探測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：與數(shù)值模擬結(jié)果相比，實(shí)測(cè)信號(hào)“跳躍”位置較多，這是由于數(shù)值模擬把巷道簡(jiǎn)化為空腔，忽略了實(shí)際巷道中金屬和淋水的影響，使得模擬的直達(dá)無(wú)線電波的能量衰減小于實(shí)際衰減，與實(shí)際情況差異較大。但總體上對(duì)無(wú)線電波在巷道中的傳播衰減規(guī)律無(wú)較大影響。Fm2、Fm4、Fm6 三個(gè)小斷層，當(dāng)接收點(diǎn)分別位于兩側(cè)時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)值會(huì)異常突變。這是由于在正常巷道離衰減時(shí)，除了直達(dá)電信號(hào)以外，在斷層界面上發(fā)生電磁波的反射，其余沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值就會(huì)相對(duì)較??；同樣點(diǎn)號(hào)在30～90(即離切眼300～900 m)的位置，總體的場(chǎng)強(qiáng)值比其他發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值大，且基本不低于30 dB。根據(jù)透視結(jié)果預(yù)測(cè)煤層工作面有一傾斜斷層，本次無(wú)線電波反射試驗(yàn)結(jié)果與無(wú)線電波透視結(jié)果相吻合。

圖9 運(yùn)輸巷0.965 MHz 探測(cè)衰減曲線Fig.9 Attenuation curves of 0.965 MHz detection in roadway

圖10 煤層0.965 MHz 探測(cè)結(jié)果Fig.10 0.965 MHz detection results of normal coal seam

反射無(wú)線電波的能量與斷層的形態(tài)、斷層和源檢的相對(duì)位置關(guān)系密切相關(guān)。從斷層下巷道的探測(cè)結(jié)果(圖10)可以發(fā)現(xiàn)：在斷層的影響下，曲線也會(huì)發(fā)生突變，總體呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，經(jīng)Fm5 反射的電磁波信號(hào)較大，因此，可以推斷此斷層較大且離巷道揭露段較近，在Fm7 和Fm9 兩個(gè)小斷層兩側(cè)，同樣會(huì)有一個(gè)突變的過(guò)程。點(diǎn)號(hào)134 處對(duì)應(yīng)的曲線有一跳點(diǎn)，結(jié)合煤層實(shí)際分布，可能是煤線和多個(gè)地層界面共同影響所得。與無(wú)線電波透視相比較，本次試驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)線電波反射在探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造的可行性。

4 結(jié)論

a.針對(duì)目前煤層工作面無(wú)線電波透視存在的問(wèn)題，本文提出了反射無(wú)線電波勘探方法?；诶碚摲治?，對(duì)比正常煤層和含斷層煤層的理論電磁波場(chǎng)，得到斷層深度與反射無(wú)線電波場(chǎng)值的變化規(guī)律。

b.通過(guò)數(shù)值模擬、井下實(shí)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)線電波反射探測(cè)斷層的可行性，為利用無(wú)線電波法探測(cè)煤層工作面異常構(gòu)造提供一個(gè)全新的思路方法。但對(duì)于其探測(cè)的精度需要做進(jìn)一步的研究。

c.本文的數(shù)值模擬沒(méi)有考慮實(shí)際巷道中金屬和淋水對(duì)無(wú)線電波傳播規(guī)律的影響。下一步將進(jìn)行具有金屬支護(hù)和鐵軌等影響因素下，煤巷直達(dá)無(wú)線電波的傳播規(guī)律研究，已期模擬結(jié)果更加符合實(shí)際。