内容发布更新时间 : 2024/11/1 7:00:17星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
内保证足够的射线密度的同时，射线分布基本均匀，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画出观测系统，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。
3.3 解释方法
工作面电磁波CT解释主要依据吸收衰减系数成像结果（包括吸收衰减系数色谱图和等值线图）来进行解释。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，就会造成吸收衰减增大，甚至其引起的衰减较围岩大得多。工作面中隐伏断层视其落差大小引起的衰减也不一样，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引起高吸收衰减。
从吸收系数异常范围来说，断层引起异常范围一般呈条带状，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、煤层破碎区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，就可以进行不同地质异常的地质解释。
图3.2 7513工作面电磁波CT成像吸收系数色谱图及解释成果
(a) 吸收系数色谱图 (b) 解释成果
3.4 应用实例
3.4.1 复杂断裂构造的探测
[6]
某矿7513工作面走向长650m，倾倾斜长145m，煤层厚度5.1～6.3m，煤层赋存稳定。
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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10个，断层之间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，采用工作面电磁波CT成像方法进行探测，共发现异常14个，解释断层12条（如图3.2），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，电磁波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，主要解释成果为回采证实。
图3.3 3392工作面电磁波CT成像吸收系数色谱图及解释成果
(a) 吸收系数色谱图 (b) 解释成果（—— 实际揭露，- - - - CT解释结果与实际偏离位置）
3.4.2 煤层结构变化及煤厚变化的预测
[7]
某矿3392工作面巷道揭露局部地段煤层夹矸增厚，煤层变薄，为了圈定煤厚变薄带，指导下一步生产，采用工作面电磁波方法进行探测。图3.3 为该面电磁波CT成像吸收系数色谱图和解释成果，从图3.3(a)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（见图3.3(b)）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。
4 弹性波CT探测技术及其应用
4.1 弹性波CT探测原理
如图4.1所示，在钻孔1放置发射换能器T1,T2,T3,?，在钻孔2放置接收换能器
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R1,R2,R3,?。根据接收到的弹性波初至走时数据来反演两孔间的慢度分布s(x,y)或速度
v(x,y)?1/s(x,y)。假设弹性波的第i个传播路径为Li，其旅行时为ti，则
ti?上式是一曲线积分，ds是弧长微元。
?Lids （4.1）
v(x,y) 式(1)中v(x,y)和Li都是未知的，ti是已知的。这是一个非线性问题，在速度场变化不大的情况下，可以近似地把射线路径看作是直线，即假设Li为直线，而只反演v(x,y)。把反演区域离散化，离散成n个小单元(像元)，在每个单元内可视为介质均匀的，速度是常数，按一定顺序记为v1,v2,???,vn,其相应的倒数即慢度记为s1,s2,???,sn,，这样，第i个射线的旅行时表示为：
ti?
图4.1 CT成像数据采集示意图
其中，aij是第i条射线穿过第j个像元的长度（或距离）。当有大量射线（如m条射线）穿过反演区域时，根据（4.2）式就可以得到关于未知量sj(j?1,2,???,n)的m个方程，形成一矩阵方程
?A??S???T? （4.3） 其中：[A]=(aij)m×n称为距离矩阵，[T]=(ti)m×1为走时向量，即测量值，[S]=(Si)n×1为慢度列向量。上式是大型稀疏矩阵方程，求解方法较多[2]，采用收敛性好的SIRT法（同时迭代重构技术Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques）。慢度的初值取射线的慢度均值
si(0)t??i?aj?1nijsj （4.2）
T1T2T3T4T5...钻孔1R1R2R3R4R5...钻孔2/Lim （4.4）
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式中m为总射线数目，ti和Li分别为任意条射线的走时和射线长度，计算过程中第k?1次迭代像元j上的取值s(jk?1)为
s(jk?1)?s(jk)??mj??i)aij(ti?t?(aij)2 （4.5）
其中mj是?A?中第j列非零元素的个数，t?i为根据慢度近似值s(jk)计算的走时，
j?1,2,?,n,k?0,1,2,?，?为驰豫参数，0???1，相当于对慢度修正量给定权系数，加快
迭代初期收敛速度，增加计算的稳定性[9]。为了保证反演结果的精度和分辨率，采用弯曲射线追踪方法，直接应用费马原理和Dijkstra最佳路径算法[10]。
利用SIRT法求解（4.3）就可以得到各单元离散慢度分布，相应地离散速度分布也已知，从而实现了钻孔1与钻孔2之间的速度场反演成像。利用计算值便可绘出成像区域速度分布图。
下面结合煤层开采引起的底板破坏深度探测的例子和探测效果。
[11]
，探讨弹性波CT技术的探测方法
4.2 探测方法
测试方法采用一孔发射，另一孔多点接收的弹性波CT透射方式，其观测系统如图4.2所示。
图4.2 2-4孔观测系统图
仪器采用SD-1声波仪、ATF-1A型大功率发射机和换能器(频率5KHz)。共进行了三对孔穿透测试：2-4、5-8、4-8，发射点间距4m，接收点间距1m。2-4孔位于A钻窝，两孔形成的断面垂直煤层走向；5-8孔位于B钻窝，两孔形成的断面垂直煤层走向；4和8孔分别位于A和B钻窝，间距7.2m，两孔形成的切平面与煤层斜交，交角约27?。上述三对钻孔形成立体空间控制煤层底板，如图4.3所示，因而利用弹性波CT速度场成像技术可以从三维空间中去观测底板在采动矿压作用下的应力变化和破坏规律。
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图4.3 测试钻孔工程布置平面图(a)和剖面图(b)
4.3 测试结果分析
按采矿活动的不同阶段对三个断（切）面分别进行了10次弹性波CT透视动态探测，速度成像结果不仅较好地反映了断面的岩性变化及结构面发育状况，而且较全面地反映了底板岩体的应力变化和破坏程度及深度。下面以2-4孔间断面为主进行分析。
图4.4为2-4孔间断面不同时段（(a)采前工作面距2-4孔断面20m、(b)工作面推过2-4孔断面3m、(c)工作面推过2-4孔断面32m）三次CT测试速度场分布图。从图中可以看出断面岩体的岩性分布和结构面状况，断面浅部速度比较均匀，一般4400m/s～4600m/s，岩性为细砂岩；断面中部存在一明显低速层，速度为3300~3400m/s，层厚约0.7m，岩性为泥岩；断面深部速度变化较大，一般3800m/s～5000m/s，下部靠近4号孔速度较低，上部靠近2号孔速度较高，从钻探资料知岩性为细砂岩，且4号钻孔岩芯有破碎迹象，说明速度场分布准确地反映出上部岩石比较致密，而下部岩体裂隙发育，原生结构面较多。
当工作面刚推过，观测断面正处于卸压区，此时的底板岩体速度分布发生了很大变化，如图4.4(b)所示，左上部岩体速度普遍降低，特别是在浅部细砂岩速度降低幅度较大，达1100m/s，说明这部分岩体裂隙发育，且以纵向裂隙为主。中间泥岩层及其下层细砂岩上部速度也明显降低，再往下部岩体速度变化较小，这就反映出在此阶段底板岩层应力变化较大，主要体现在上部岩层中应力释放，结构面增多，裂隙发育，岩体遭受破坏。
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