矿井地质雷达超前探测正演模拟.pdf

l 一 ／ j 2 煤田地 质与勘探 COAL GEOLoGY ＆ E XP I ORATl oN Vo 【2 8 No 5 Oc t 2 0 0 0 矿 井 地 质 雷 达 超 前 探 测 正 演 模 拟 n j 1 f 、 夕f 何兵寿魏修 成 石油大学地 球科 学系 北京 昌平1 0 2 2 0 0 ～ 一- ～ 摘要 用时问域有限差分 F DT D 法建立矿 井地质雷达的模型 采用理想频散关 系和超吸收 边界条件 ． 对几十典 型矿 井地 电模 型进行 了正演模拟 ， 研 究 了矿 井地 质 雷达 超前探 测 的剖 面特 征 。 巷道对各道直达 波匏量分布厦 波列形状 有明显影响 ； 煤岩 分界 面主要影 响反 射 波能量 分布 。 关 键 词地 质 雷 达垩 苎 坚 垫采 煤 j ， { } 杰 终 为 掳 ， 中 国 图 书 资 料 分 类 法 分 类 号P 6 3 1 3 1 时 泅 确 距 仂 作者简介何兵毒 男 2 7岁 博士研究生应用地球物理 1 引言 矿井地 质雷达超 前探测在煤矿 中用来 探查 被勘 探煤 层的不 连续性 以及有关地质构造破坏 或地 质异 常体 。同地 面雷达勘 探相比 ， 其于扰 因素 更为复 杂 ， 测量 结果更 难鳃释 。巷道和煤岩分 界面 是影响 地质 雷达超 前探测结果 的两个 主要 因 素D ] ． 研 究 它们 对 实测剖面的影 响特征 ， 可 以提高解释精 度 本 文运用 F D T D法对某些典型 的矿井地质雷达超 前探 测模型 进行 了正演模拟 ， 在此基 础上研 究 T巷道 和煤 岩分 界面对矿井地质 雷达超 前探测 结 果的影 响 ， 对 高频 电磁 渡在煤层 中的传播 规律做 了初步分 析 2 方法原理 电磁场最基本的规律是麦克斯韦 方程组 『 V X E 一 军 ， J 可 x H j ff ， 1 l口 B 0． 1 可 DP ， 式 中E 电场强度 V m ； D一～ 电位 移矢 量 AS ／ m ； ，一 电流密度 A／ 1 “I 1 ； H 磁场 强度 A／ m ； 磁感 应强度 Vs ／ m ； p 自由电荷 密度 As ／ m。 。 假定所研 究 的电磁 场问题 只涉及线 性各 向同性 介 质 ， 则 无源 区域 麦克 斯 韦 方程组 的两个 旋 度 方程 可 表示为如下 形式 式 中 电导率 S ／ m ； e 介电常数 F／ m ； 磁 导率 H／ m ； 一 等 效磁 阻率 1 2 ／ m 。 二 维 TM 波情 况下 ， 采 用 Ye e氏 阿格0 一 对雷 达 波 的实际传播 空 间进 行 剖分 ， 用 中心 差 商代替微 商 ， 即可 建立适 于矿 井地质雷 达正 演的 F DTD 法格式 。 E 一 。 ， 一 J CA i ， J E i ， J C D C B i ， J DE WATE RI NG EF F EC T OF AQUI F ER T0 S URF ACE S UBS I DENCE Cu i Xi mi n Fa n g Zhi h a i Zu o Hon gf e i 。L1 Ha i x i a 1， 4 ． B e i j i n g C a mp u s ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g＆ Te c h n o l o g y 2 ． Na t i o n a 1 I n v e s t me n t o f Xi n j i En e r g y S t o c k C o mp a n y 3 ． Xuz h ou CO a 【M i n e Bu r e a u Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e p r e d i c t i n g a c c u r a c y o f mi n i n g s u b s i d e n c e ， t o e x p l a i n t h e p h e n o me n a wh i c h t h e s u b s i d e n c e c o e f f i c i e n t l a r g e r t h a n I ， a n d t o d e c r e a s e t h e mi n i n g d a ma g e ， o n t h e b a s i s o f b o r e h o l e me a s u r i n g o f d y n a r n i c wa r e r l e v e l r e s u l t s t h e 3 k i n d s o f r e l a t i o n s b e t we e n o v e r b u r d e n f a i l u r e a n d d e wa t e r i n g o f wa t e r h o l d i n g s t r a t a i s o b t a i n e d ．The v 0i d r a t i 0 ma y d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s i n g o f e f f e c t i v e s t r e s s e s a f t e r wa t e r l o s i n g ． Th e me c h a n i s m o f c o n s o [ i d a t [ o n b s i d d u e t o d e wa t e r i n g o f wa t e r b e a r i n g s t r a t a i s e s t a b l i s h e d ． Th e c a l c u l a t i o n me t h o d o f s u r f a c e s u b s i d e n c e c a u s e d b y u n d e r g r o u n d mi n i n 口a n d d e wa t e r i n g i s d e r i v e d u s in g s u p e r p o s i t i o n p r i n c i p [ e ． Th e e x a m p l e d e mo n s t r a t e s t h a t t h e c o n s o l i d a t i o n s u b s [ d e n c e d u e 【 0 d e wa t e ri n g a c c o u n t s f o r 2 5 o f t h e c o a l s e [ lT t mi n i n g s u b s i d e n c e ． Ke y wo r d s mi n e d r a i n a g e ； u r f a c e s u b s i d e n c e ； o v e r l a y i n g s i r a t a H 争 一 一 一 ￡ 一 一 E H [ 可 维普资讯 第 5期 巾 『 兵寿， 魏修成 矿井地质雷达超前探测正演模拟 5 3 图 1 不同频散关 系下的宽角法合成雷进剖面 H 一 言 ， J 一H； 一 号 一 1 ， 十 H { ， J 1 一H； 一 { ， ] ； 3 d H { ， j 一H； 一 { ， ， 十 C D[ E i ． J 一E ， j 1 ] ； 3 b H； 一 { ， 一H 一 H1 十百1， J c D[ 一 。 1 ， ， ， ] ； 3 c 1- f - ， 1 △ i ； , 式中 ⋯ 一 j T ； ∞一 塞 告 ； E0 。 ∞“ 。 趋 ； ￡ t ，j 。 ， 分别 为差分 的时 间步长 和空间步 长 从上式 出发 ， 采用 时 间 递增 的 方法 反复 计 算三 个场 分 量 ． 即可模 拟高 频 雷 达渡在 各种 介 质 中的传 播过 程 3 影 响计算精 度 的因素 F D T D 法计算 精度 的主要影 响 因素是数值 频散 关 系和吸收边 界条件 。 3 ． 1 数值 频 散关 系 所 谓数 值 频 散指 当用 F D T D 法 对地 质 雷达 进 行横 拟 时 ， 由 于 △ ￡和 △s的关 系选 取 不 当而 造成 的 在非 频散介 质 中产生 的虚 假 频散 现 象 ． 本 文采 用 适 于二 维矿井地 质雷 达正演 的理想频 散关 系 一 2} 一 ， 4 ⋯ 式 中 计算空 间 中的最 大 电磁 波速 度 ； 口 圳 对应 的波长。 由图 1可见 ， 常规频 散关 系下 ， 雷 达剖 面上 波 列 明显 拉长 ， 不 同频 率分 量 电 磁波 的相 速 度 发生 了变 化， 即非频散介质中产生了频散现象 ； 当采用理想频 图 2截断边界的伪反射示意图 散关系时， 渡列畸变得到明显改善， 数值频散现象得 以压制 3 2 暇收 边界 条件 目前 常 用 的吸 收 边 界 包 括外 行 波平 均 边 界 条 件、 损 耗 吸收 边 界条 件 、 辐 射 边 界条 件 和 Mu r二 阶 吸收边界 条件 4 种 。 其 中 Mu r二 阶吸收边 界条 件 由 于其较 强 的吸收性 能 而得以广泛 应用 本 文对此进 行改进 ， 得到 超吸收边 界条 件 。 3 ． 2 ． 1 Mu r 阶吸 收边界 条件 MI l r二 阶吸 收 边 界 条 件 的 基本 思想 是 在 截断 边界处对 E 分量进行 如下计算 一 E 。 。 ， j 一 一 ‘ 1 ， J v A t --As 1 ， j tE “ 0 ． j ], ⋯ za s 五 ‘ 。 ， 1 ， J ] 而 v 蕊A t z L 0 ， J 1 2 E“ 0 一 ， 4 - 0 ， J 一1 1 ， J 1 一2 1 ， E 1 ， J 一1 ] 。 5 这 一算 法 的缺点 是入 射角 适应 范 围较 小。圈 2 为均匀 质 中心激 发时计算 空 问中某一 时刻 的电场 分布 图 ， 波阵 面保持 圆形通 过边界 时 图 的边 框 ． 边 界产生明显反射， 这对于精细构造的正演问题将产 生影 响， 严重者 甚至会 使边 界伪反 射淹 没有效 渡 ． 造 成波形识 别 困难 。故 有 必要改善其 吸收 性能 。 3 ． 2 2 超嗄收 边界紊 件 由上述 原理 ， Mu r吸 收边 界条 件 只是 在边 界 网 格点上 对 电场 进行特殊 处理 ， 磁场 分量不 参 与计算 ． 这 是其适 应性差 的 主要 原 因。本文 的超 吸收边 界条 件 让磁 场也 参 与边 界计 算 ， 用 高精 度 的磁 场 分量 来 减 小常 规 吸收边 界 条 件的误 差 ， 从 而 改善 原吸 收 边 界条件 的性能 。 边界处 H 分 量可 由两种方 法得 到 a ． 利用式 3 通 过 计算 区域 内 部或 边 界上 的 电磁 场得 到 ； b 利 用吸 收边界 条件 5 得到 。 理论证 明， 这两 种 方 法 的计算 误 差存 在 一定 关 系 ， 其 符号相 反 ， 太小 与 P 一 有 关 。 故 可通 过这 维普资讯 5 4 煤 田地 质 与勘 探 第 2 8 卷 图 3超 吸 收 边 界 条 件 的 魏 值 验 证 一 关 系得 到较精 确的边 界 H 分量值 。 以 i ；M 边 界 为例 ． 假定 由公式 3 计算 得到 的边界磁 场分 量值 为 H 一 [ 一 1， ； 采用 式 5 得 到的边 界磁场 分量值 为 H [ 1 ． J ]， 则边界 上更 为精确 的 H 值 由下式确 定 H； { [ M ， j 3 一 H 扣 [ 1 ， ] P H { c 2 [ M 1 p 6 通 过 上式 计 算 出较 为 精 确 的 H 值 后 ． 利 用 它 再计算 次 M ， J ， 以提 高 其 精 度 ， 减 小 截 断边 界伪反 射 计算公 式 为 Ej ， ， 一 El 1 ， J 志 H 号 一 1 ，， H 号 M 一 { ，J 。 7 总结 以上 分析 ， Mu r二 阶超 吸收 边 界条 件 的应 用 步骤 归 结为 _d _ 将 Mu r 二 阶吸收边界 条件应 用 于 ， J ； b ． 把 这一 吸收边界 条件 同时应 用于 Hr 一音， ， 得到H5 i ” _ } ， } c ． 接正 常 的差 分方程 3 c 计 算 出 H； 一 j “ ． ； d ． 接式 6 计算出H 一 M--． e ． 接式 7 再计算 E M ， 。 将超 吸 收边 界 条 件代 A 程序 进行 运算 ， 图 3为 相 同条件 下计算 空间 中某一 时刻的 电场 分布图 渡 阵 面保 持圆形 顺 利 通过 网格 截 断边 界 ， 边界 伪 反射 得到 明显改 善， 且 没有 【 人新 的误 差 ， 显示 出超吸 收 边 界条件 的 良好 吸收性 能 。 敲笈 接收 j ， 堪层 煤层 } ～ ～ 吸收边界 收边界 接收 兰 图 计算模型 及其台成雷达剖面 一井下计算模型； b 音成雷达剖面 4 计算结果及分析 以下选取 几个 具有代 表性 的矿井地 电模 型进行 正演模 拟 ， 以 研究 高频 电磁 渡 在 煤层 中的传 播规 律 以及 巷道和煤 岩分 界面对 矿井地质 雷达 超前 探测结 果 的影响规 律 。本 文中 天线 中心 频率 均 为 f o 一1 0 0 M Hz 4 ． 1 模型 1 该模 型 为 不存 在巷 道 的情 况 ， 地质 雷 达 的收 发 方 式如图 4 a ， 图 为其 合成 雷达剖 面 。由于煤 层中 电磁 波速 度较高 ， 故其 波至 时间较短 ， 而 围岩 中电磁 波速度 较低 ， 因而反 射渡 波至 时间增大 。 从 图 中还 可 看 出 煤岩交 界面 附近 电磁波能 量 明显 减 弱 ， 向两边 能量 逐渐增强 ， 并达 到极 大值 ， 随着与煤 岩交 界面距 离的增 大 ， 各道 能量趋 于一 致 。 4 ． 2 模 型 2 该模 型为 巷道掘进 面前 方存在 一直立 断层 的情 况 断 层 落 差 大 于煤 厚 ， 巷 道 高 度 与 煤 厚 相 等 图 5 a ， 图 中箭 头方 向表示 测点 移 动方向 。 图 5 b为其 合 成 雷 达 剖面 ， 由于 巷道影 响 ， 直达 渡 波 形扭 曲严 重 ， 巷 道顶底 板 附近 各 道上 波形 扭 曲更 为严 重 ， 煤 岩分 界面 附近反射 波能量 减弱 ， 煤层 中间各道 能量较强 。 维普资讯 第 5期 何兵寿， 魏修成 矿井地质雷达超前探测正演模拟 5 5 弱 ． 这是 巷 道顶底板 影响 的结果 ； 由于收发天线 距 离 煤 岩分 界 面较远 ， 雷 达剖 面 上断 面 反射 渡能 量 基 本 一 致 ． 但仍存在细微差别． 中间道能量较大， 向两边 逐渐减弱． 说明煤岩分界面对地质雷达超前探测结 果有较 大影 响 。 5结论 矿 井地 质雷 达超前探 测一 般 以非 屏蔽低频 天线 为 主 ． 数 值模 拟 结 果 表 明 ， 矿 井 地 质 雷 达 超 前探 测 中 ， 巷 道对 直达 渡影响较 大 ， 巷 道 附近各道上 直达 波 能 量减弱 ， 波列产 生 明显畸 变。 煤岩 分界面 对反射 渡 能量 影响 较大 ， 煤 岩分界 面 附近反 射渡能量 减弱 ． 但 渡形 变 化不大 。 井 下超 前探 测资料解 释时 ， 应充分 考 虑巷 道 和煤 岩分界 面对 雷达探 测结果 的影 响。同 时 由于煤 层 中电磁 波 速 度较 高 ， 经过 煤 层 的雷 达反 射 波波 至 时 间减小 ， 这 一 特征 有助 于正 确识 别煤 层 中 的 电磁 渡 图 6 计算模型凰其台成雷达剖面 参考 文献 a 正演模型 ； b ～ 台成 雷达剖面 4 ． 3模 型3 要 苎 地 庙 雷 达 的 模 槲 计 觚豇 用帽矿 业 大 学 硬 士 敝’ 模型 3为煤层厚度 8 ． 7 m 太于巷道高度 2 l 2 Y K S ． N ㈣ m i l S o ] t i ] n i 1 i “B o u n u a rn d V 【 m 的情况 图 6 a 巷道位 于煤层 中间 ， 掘进 面前方P r o b ] ⋯] n v o ] 砌 i g M a x w e [ 1 ． E q u a d o r t s i n I s o t r o p i c M e d i 9 ． 4 m 处 有 一 落 差 为 8 m 的 直 立 断 层 ， 箭 头 所 示 为 。 嚣．T何 ra兵n s寄, A n超ten幔 n 收as 在, 1地9 6 质6 测点 移动方 向。 图 6 b为其合 成雷达 剖面 由该 图可 应 用中国 矿业大 学学报， 1 9 9 9 ； 2 8 5 ； 4 5 3 4 5 6 见 ． 在靠 近巷道顶 底板 各道 上 ． 直达波 能量 明显减 收稿 期 。 。 。 。 。 THE FoR、 ARD M oDELI NG 0F DRI FT GPR PULLED AHEAD EXPL0RATI oN He B i n g s h o u We i Xi u c h e n g De p a r t me n t o f Ge o s c i e n c e． Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Ab s t r a c t Us e c a l l e d f i n h e d i f f e r e n c e t i me d o ma i n me t h o d FD TDa f o r wa r d mo d e l i n g f o r d d f t g m u d p e n e t r a t i n g r a d a r GP RI s e s t a b l i s h e d b y e x p l oi t s e c o n d - o r d e r fi n i t e d i f f e r e t me a p p r o x i ma t m ． Us i n g i d e M s t a b i l i t y c o n d l d o n s a c s u p e r a b r b i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n s， s o me t y p i c a l mo d e l s i n d r i f t 8 r e s i mu l z t e d t o i n v e s t i g a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d r i f t GP R p u l l e d a h e a d p r o fi l e ． Th e s h a p e a n d e n e r g y d i s t r i b u t i o n o f d i r e c t wa v e i s ma i n l y i n f l u e n c e d b y d r l h wh i l e t h e e n e r g y d i s t r i b u ti o n 。 f r e f l e c t e d wa v e i s i n f l u e n c e d ma i n l y b y t h e i n t e r f a c e b e t we e n c o a l a n d r o c k Ke y wo r d s g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ； f o r wa r d mo d e l i n g c o a l mi n i n g 曩田地质与勘援 } 2 0 0 1年征订启事 本刊创 刊于 1 9 7 3年 ， 由煤 炭科 学研 究总院 西安 分院 主办 ， 为全 国优 秀科技 期刊 、 原煤 炭部优 秀科技 期刊 和 陕西省优 秀科 技期 刊 ， 是 中国科技 信 息研 究 所 选定 的 1 2 8 6种 统计 用刊之 一 ， 中文核 期 刊要 目总览 鉴 定的核 期 刊 。1 9 9 5年 拳 刊进入 美 国 工 程信 息公 司 E i P a g e 0r l e数据 库 ． 1 9 9 6年 又被 国 盱 能源机 构的 堞 文摘 和 煤 光盘” 收 录 本刊 设 有煤 田地 质 、 矿 井地 质 、 煤层 气、 水 文地 质 I程地质 、 环境地 质 、 堞 田物探 、 矿 井物探 、 I程 物 探 、 探 矿I程 和科技信 息等 栏 目。 本 刊为 走 1 6开本 ． 仍 为双 月刊 ， 双 月 2 5日出版 ， 每 册 定价 5 ． O 0元 ， 奎 年 3 0 O 0元 ， 由邮局 发 行 ． 邮发 代号 5 2 1 4 ， 合 订 本 2 0 0 0年 每 本 4 0 0 0元。 2 0 0 1 年 度 杂志 订阅 即将 开始 ， 望 广 是订 户厦 时 到 当地 邮局 所 订 阗 万一 漏订 可到本 刊编辑部 补 订 单位 和 个人 均可订 阍 。 单 位订 阅 ， 请仔 细填 写订 单和邮寄标签， 将订单第一、 联 变银行随信汇单一 同寄来我鳊辑部 第三联留作报销凭证 。个人订周 可通过 邮局 汇款 。 邮局 汇 款地 址 西 安市 雁塔 北路 5 2号 煤 田地 质 与勘探 编 辑部 。 银行 信 汇 煤 炭科 学研 究 总 院 西 安分 院 2 3 0 8 9 1 2 2 5 6 5 ． 西安市工商行雁塔路分理处 维普资讯