工作面电磁波高精度层析成像及其应用

　　摘要　介绍了工作面电磁波透视法(简称坑透)高精度层析成像计算原理和工作方法，并结合电磁波衰减特征和应用实际，探讨了不同地质异常的解释方法。实践证明，坑透高精度CT技术应用大大提高了资料解释的精确度和可信度，增强了异常的识别能力。

　　关键词　电磁波透视　层析成像　工作面　地质构造

　　中国图书资料分类法分类号　P631.325

HIGH ACCURACY COMPUTER TOMOGRAPHY OF ELECTROMAGNETIC WAVE ON WORKING FACES AND ITS APPLICATION

　　Cheng Jiulong　Yu Shijian　(Shandong Institute of Mining and Technology)
　　Qiu Wei　(Sanhekou Coal Mine,Shandong Province)
　　Cheng Hongliang　Song Zhenjiang　(Baoan Coal Mine,Shandong Province)

Abstract　The calculating principle and working method for high accuracy computer tomography of electromagnetic wave perspective(tunnel perspective for short)on working face are introduced.Combining with the decay property of electromagnetic wave and the application practice,the interpretation methods of various geological anomalies are discussed.The practices have been proved that the accuracy and reliability of the data interpretation are largely increased ,and the recognition capability of anomalies is strengthened due to the application of high accuracy CT technique of tunnel perspective.

　　Keywords　electromagnetic wave perspective;computer tomography;working face;geological structure

1　引言

　　预先查明工作面内的地质构造以保证煤层开采特别是综合机械化采煤的顺利进行，是矿井地质工作的重要任务。随着采煤机械化程度的提高，要求在开采前查清工作面内隐伏构造及其它影响正常开采的不良地质体的程度越来越高，在这方面坑道无线电波透视法发挥了极其重要的作用。
　　 目前，坑透技术常规的工作方法是定点交会法^[1]，射线密度一般较稀，资料处理解释方法主要采用场强对比法，利用透视综合曲线进行平面交会。该方法优点是简捷、直观，但存在着许多不足，诸如圈定的异常范围比实际地质体范围大得多，异常重叠和目标多的情况下难以区分，而且不同发射点异常幅度不具有可比性等，因而解释精确度明显偏低。另外，现有坑透层析成像技术因种种原因解释效果也不理想，已不能完全满足生产需要，因此研究新的工作方法和高精度处理解释系统势在必行。

2　层析成像计算原理

　　CT技术(计算机辅助层析成像技术)是80年代开始在地球物理领域中应用逐渐发展起来的，并取得了许多令人瞩目的成果^[2]。
　　CT技术的图像重建计算方法从数学上有变换法和代数迭代法两大类。目前在地学中主要应用代数迭代法进行图像重建。代数重建法是1970年由Gordon等人提出的，其基本思想是依据射线原理^[3]，首先对成像条件提出一个初始模型，然后把模型网格化，计算出投影函数的观测值与理论值的残差量，将每条射线的残差量以它穿经每一网格的路径长度为权分摊到该网格中去，修正模型，反复迭代直到满足收敛条件为止。
　　工作面电磁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：

，　　　(1)

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。
　　如图1所示，把坑透工作面划分成有不同吸收系数的若干小单元(像元)，每一小单元内可视为介质均匀的。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：

。　　　(2)

　　对没有射线穿过的小单元，可视d_ij＝0，于是公式(1)变成

。　　　(3)

图1　坑透CT成像单元离散示意图

　　对(3)式两端取对数有：

。　　　(4)

　　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：

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)、计算方程(5)可以反演各像元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系统反演成像。利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。
　　理论上，为了确保电磁波衰减系数的高精度成像，必须保证像元尽可能小。但由于数据不完全，当像元小到一定程度，势必造成像元内无射线通过，这样，该像元就失去了意义。为克服这一不足，可以先用大像元成像，然后分割成更小像元再继续成像，以确保成像精度。

3　坑透CT工作方法

　　坑透CT法与常规工作方法基本一致，主要采用定点法观测方式，即发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在另一巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值，观测射线呈扇形分布。不同的是CT法要求在数据采集中测点应适当加密，观测密度加大。为了保证层析反演成像的高精度，坑透CT法要求在坑透施测范围内保证有足够的射线密度的同时，射线分布应基本均匀，避免出现“盲区”。因此在工作之前，要根据工作面的实际情况预先绘出观测系统，看观测射线分布是否均匀，并适当调整发射点和接收点位置，从关键性环节确保成像质量。构造复杂区还应适当加密射线数量。不同发射点的发射参数要基本上保持不变，以减少吸收系数反演的误差，保证收敛速度。

4　解释方法

　　坑透CT解释主要依据吸收衰减系统成像结果(包括吸收衰减系数色谱图和等值线图)。不同的地质条件和不同的地质现象所引起的电磁波衰减特征不同，因此根据不同的异常特征即可以进行地质解释。
　　一般说来，正常煤层对电磁波的吸收较围岩对电磁波的吸收小，而当煤层破碎、煤层中裂隙发育以及裂隙中含水时，会造成吸收衰减增大，甚至引起的衰减较围岩大得多。对于断距，落差大于煤厚的断层较落差小于煤厚的断层引起的衰减大，落差小于煤厚的断层引起的衰减随落差的减小而减小。当煤层厚度变薄以及煤层中存在夹矸时，电磁波的衰减随煤层变薄和夹矸增厚而增大。当煤层有火成岩侵入体存在时，其衰减依据火成岩的电性特征不同而不同，出现低值异常和高值异常都是可能的，但对同一采面内的侵入体具有单一性。工作面中陷落柱同样能引起高吸收衰减。
　　从吸收系数异常范围来说，断层引起的异常一般呈条带状，落差大的断层较落差小的断层的异常带宽。煤层厚度变化区、夹矸增厚区、煤层破碎带的异常范围一般都较大。工作面中侵入体及陷落柱引起的异常范围与其形状基本上一致。
　　根据上述吸收系数的异常特征，就可以对不同地质异常做相应的地质解释。

5　应用实例

5.1　复杂断裂构造的探测
　　某矿7513工作面走向长650m，倾斜长145m。煤层厚度5.1～6.3m，赋存稳定。该工作面南北两端构造简单，但中部构造复杂，巷道中已揭露断层断点9个，断层的切割关系难以推断。为了查明这些断层向采面内的延伸情况、断层之间的切割关系、断层最大落差位置以及是否存在隐伏断层，采用坑透CT成像方法进行探测，共发现异常14个，解释断层12条。(图2)工作面电磁波衰减系数CT成像色谱图清晰地显示出中间区段断层的切割关系以及最大落差位置，校正了原推断结论，坑透CT工作成果为该面的正常生产提供了准确可靠的地质依据。主要解释成果已为回采证实。

图2　7513工作面坑透CT成像吸收系数色谱图及解释成果

5.2　煤层结构变化及煤厚变化的预测
　　某矿3392工作面巷道揭露局部地段夹矸增厚，煤层变薄，为了圈定煤厚变薄带，指导下一步生产，采用坑透方法进行探测。图3为该面电磁波CT成像吸收系数色谱图和解释成果，从图3中可以清楚地看出工作面中部靠近运输巷一侧存在一明显的较高吸收区段(4^#异常)，解释为煤层变薄带，煤厚相对变薄0.4～0.7m。工作面推进中实际揭露煤厚变薄区位置与CT解释一致，最大相对变薄0.6m。1^#、2^#异常区为煤层变薄区，实际揭露最大相对变薄0.4m，为底鼓引起。另外，CT解释的七条断层与实际揭露位置基本一致，准确率达86%。该面夹矸厚度变化一般小于0.4m，因而成像结果反映不太明显。

图3　3392工作面坑透CT成像吸收系数色谱图及解释成果
　　——实际揭露；……CT解释结果与实际偏离位置

6　结论

　　坑透CT成像解释方法充分利用电磁波在采面传播过程中的信息，利用高精度反演吸收衰减系数，克服了常规场强对比法和综合曲线交会解释方法的不足，提高了预测精度和可信度，具有广阔的推广应用前景。
　　坑透CT成像要求原始采集数据质量高，干扰小，只有高质量原始数据才能保证高精度的成像效果，这一点在数据采集中应引起足够的重视。
　　CT成像解释必须结合现场实际揭露的已知地质信息，同时对矿区的煤层及围岩的电性差异以及对电磁吸收衰减规律的认识程度关系着解释的准确度。因此资料解释中经过由已知到未知再到已知，不断总结，积累经验，才能保证解释结果更符合实际，更好地满足煤矿生产需要。

作者简介：程久龙　男　34岁　硕士　副教授　应用地球物理

作者单位：程久龙　于师建　山东矿业学院　泰安　271019
　　　　　邱伟　山东省三河口生建煤矿　微山县　277605
　　　　　程洪良　宋振江　山东省保安煤矿　新泰　271400

参考文献

　1　刘天放，李志聃.矿井地球物理勘探.北京：煤炭工业出版社，1993
　2　杨文采，李幼铭.应用地震层析成像.北京：地质出版社，1993
　3　Guust Nolet.地震层析技术(Seismic Tomography).北京：地质出版社，1991