“三软煤层”电磁波吸收特征分析

　　摘要　通过对梁家煤矿两个工作面的坑透试验研究，获得了“三软煤层”的电磁波吸收系数β；应用CT技术处理得到了工作面吸收色谱图，分析了“三软煤层裂隙、构造的吸收异常特征，取得了较好的地质效果。
　　关键词　软弱岩石　顶板　底板　煤层　电磁波　吸收系数
　　中国图书资料分类法分类号　P631.34

ANALYSIS ON THE ABSORPTING CHARACTERISTICS OF ELECTROMAGNETIC WAVE IN COAL SEAM WITH SOFT COAL，ROOF AND FLOOR

Yu Shijian　Cheng Jiulong Wang Yuhe
(Shandong Mining Institute)
Yan Shijie　Zhang Tongzhou　Li Yongchun
(Liangjia Coal Mine of Longkou Mining Bureau)

　　Abstract　Based on the tunnel transmission tests on both working faces in Liangjia mine,the absorpting coefficient β of electromagnetic wave in coal seam with soft coal,roof and floor is found;using the absorpting chromatograph charts of working faces obtained by the CT technique processing,the absorption abnormal characteristics of fractures and structures in coal seam with soft coal,roof and floor are analyzed,and the better geological effectiveness is obtained.
　　Keywords　soft rocks,roof;floor;coal seam;electromagnetic wave;absorption coefficient

1　引言

　　山东龙口梁家煤矿的煤层为典型的“三软煤层”，煤层和顶底板均为软弱岩层。煤层裂隙发育，构造复杂。断裂构造特征为：走向与煤层走向近一致，延展长度较短，尖灭迅速，有时成雁行状排列。地层电性特征为：煤层电阻率40～50Ω^.m，是气煤、褐煤电阻率的1/3～1/5，顶底板岩层的电阻率10～15 Ω^.m。因地层低阻，使其具有对电磁波的强吸收特征。为了能够在此特殊地质条件下采用电磁波坑透技术查明工作面内隐伏构造，首先应通过实际坑透探测研究“三软煤层”的电磁波吸收特征及裂隙、构造所产生的吸收异常特征，然后应用计算机层析成像技术对坑透数据进行处理，以期获得好的解释效果。为此我们分别在该矿2212、1209两个工作面进行了电磁波坑透试验研究工作。

2　工作布置与数据处理

2.1　工作布置
　　2212工作面走向长700多米，倾斜长140 m，煤层厚度3.45～4.18m。共布置发射点28个，发射点间距50 m，接收点间距10 m，工作频率0.125MHz。
　　1209工作面走向长700 m，倾斜长94 m，煤厚4.5m。共布置发射点24个，间距60 m，接收点间距10 m，工作频率0.5 MHz。
2.2　坑透参数β和H₀的计算
　　当场强用分贝(dB)为单位时，其计算公式为：

H⁰＋20lgr＝H₀－βr，

(1)

式中　H⁰——理论场强，dB；
　　　H₀——初始场强，dB；
　　　β——吸收系数，dB/m；
　　　r——发射距离，m。
　　对某一发射点的n个接收数据｛H_r,r_i｜i=1,2,…,n｝,令y_i＝H_i＋20 lgr_i，x_i＝r_i，对n组数进行线性回归，求得线性回归方程为：

(2)

　　考察各个x_i处的y_i与其相应的回归值的离差的绝对值
和均方差
当μ_i满足不等式

(3)

时，保留y_i；而当μ_i不满足上述不等式时，剔除y_i。式中为μ_i的均值；η为剔除系数，取值为1，1.28，1.65，1.96，2.58，根据工区实际情况一般取η＝1.65。假设第一次回归剔除了K个数据，对剩余n－K个数据重复上面的回归剔除过程，反复迭代，直至所有点全部满足不等式要求。此时回归方程的系数a＝K₀，b＝－β。
2.3　层析成像计算
　　对于井下无线电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：

(4)

式中　H——实测场强值；
　　　H₀——理论初始场强值；
　　　β——介质吸收系数；
　　　r——发射点到接收点距离；
　　　sinθ——方向性因子，一般可认为等于1。
　　现把坑透工作面划分成有不同吸收系数的若干小单元，每一小单元内可视为介质是均匀的，假设电磁波的第i个传播路径为r_i，则它可以表示为若干小单元的距离之和：

(5)

对于没有射线穿过的小单元，可视d_ij＝0，于是公式(1)变成：

(6)

对(6)式两端取对数有：

(7)

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］，

(8)

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 Reconstruction Techniques同时迭代重构技术)可以得到各单元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系数反演成像；利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图或色谱图。

3　“三软煤层”及构造吸收特征分析

　　通过对0.125 MHz的28个发射点和0.5MHz的24个发射点数据回归计算，0.125 MHz平均吸收系数为0.2 dB/m，0.5MHz平均吸收系数为0.4 dB/m。
　　由实测场强和吸收系数统计结果分析知，由于“三软煤层”裂隙发育，且主裂隙具有一定的方向性，电磁波传播表现出了强烈的各向异性。电磁波传播路径与主裂隙发育方向近平行时的吸收程序明显低于其传播路径与主裂隙发育方向近垂直时的吸收程度。图1为1209工作面切眼中间同一点发射，上顺槽接收(虚线)和下顺槽接收(实线)场强对比图，上顺槽接收场强明显大于下顺槽接收场强值。吸收系数统计结果上顺槽接收时β＝0.13 dB/m，下顺槽接收时β＝0.46 dB/m，初始场强均为124 dB，由此知煤层主裂隙发育方向近煤层走向。

图1　上、下顺槽实测场强对比图

　　实际上，对“三软煤层”不仅主裂隙方向近煤层走向，断层的走向也近煤层走向。断层一方面因其破碎带对电磁波的反射和散射等作用，另一方面在电磁波传播路径上出现一定宽度低电阻率(10～15 Ω^.m)的顶板或底板岩层，对电磁波具有强烈的吸收作用，在吸收系数色谱图上形成明显的高吸收异常区。图2为2212工作面吸收系数色谱图(图2a)及相应的断层构造解释预测图(图2b)。为了突出高吸收异常，在色谱图中，β小于0.3 dB/m的不着色，0.3～0.5 dB/m用浅线阴影，大于0.5 dB/m的用深阴影表示。“三软煤层”中发育的断层一般以断层组的形式出现，一组断层由若干小断层组成，成雁行状排列，落差一般为0～3 m，延展长度20～50 m不等，反映在色谱图上则是不连续的异常块。实际揭露的情况与预测结果基本相符。

图2　2212工作面吸收系数色谱图(a)及构造预测图(b)

4　结论

　　a.　“三软煤层”的平均吸收系数，在0.125 MHz时，β≈0.2 dB/m，在0.5 MHz时β≈0.4 dB/m。
　　b.　在“三软煤层”中，电磁波传播所表现出的各向异性，反映了煤层裂隙、构造的发育方向。
　　c.　断层组在吸收系数色谱图上为不连续的高吸收异常块。
　　通过梁家矿两个工作面的坑透研究，电磁波坑透在“三软煤层”特殊地质条件下采用计算机层析成像处理解释，能获得较好的地质解释效果。