摘要: 我国已开展了多频无线电波透视技术的研究，并在研究上取得了重大的突破和成就。YDT-3型坑透仪是目前最新的多频透视仪器之一，其工作频段主要有88 KHz、158 KHz、365 KHz。该设备一次探测能获取大量场强数据，并对其进行数据处理与解释。为了提高数据的利用率进而在数据处理时提高探测精度，需要对海量数据进行分类并作对比分析。根据YDT-3型坑透仪探测目标地质体得到的数据，将其分为平均值、中位数、最大值和最小值这四种数据，分析并总结四种数据的特点。在安徽理工大学西教学楼以及刘庄矿某工作面探测实例对比结果表明：平均值和最大值所呈现出的效果较好，最小值所呈现出的效果最差，中位数在样本分布均匀或者样本数足够的情况下，才能获取良好的数据。
Abstract:
The research of multifrequency radio wave perspective technology has been carried out in our country, and great breakthroughs and achievements have been made in the research. YDT-3 pit penetration instrument is one of the latest multi-frequency perspective instruments, and its operating frequency bands are mainly 88 KHz, 158 KHz, and 365 KHz. The device can obtain a large amount of field intensity data at one time, and process and interpret the data. In order to improve the utilization rate of data and improve the detection accuracy in data processing, it is necessary to classify and make a comparative analysis of massive data. According to the data obtained by the YDT-3 pit penetration instrument, the data is divided into four kinds: average, median, maximum and minimum, and the characteristics of the four kinds of data are analyzed and summarized. The comparison of detection cases in the West Teaching Building of Anhui University of Science and Technology and a working face in Liuzhuang Mine shows that the average and maximum values have a better effect, the minimum values have the worst effect, and the median can obtain good data only when the sample distribution is uniform or the number of samples is sufficient.
1. 引言
煤炭现已成为我国的主要能源来源，煤炭资源是人类在生产和生活方面不可或缺的一项资源 [1] 。随着我国煤炭资源开采利用的不断深入发展，对煤层综采采煤工作面地质保障的要求越来越高，安全高产高效成为煤炭企业的追求目标 [2] [3] [4] [5] [6] 。无线电波透视探测技术为非接触式探测，其具有仪器轻便、操作简单、所需人员少、抗干扰能力强、耗时短等优点，在煤层工作面地质构造的探测工作中得到了有效的推广以及应用，因此目前成为对煤层工作面地质异常体探查最常用的物探手段 [7] [8] [9] 。近年来，我国研究人员展开了多频无线电波透视技术的研究，为多频仪器的研究做出了巨大的贡献 [10] [11] [12] 。目前国内采用的多频坑透仪器有YDT-3型仪器，工作频段有88 KHz、158 KHz和365 KHz [13] [14] ，一次探测可同时获取3组频率的数据。由于YDT-3型透视仪具备1秒采集5组数据，能大量存储等特点，如果每个接收点采集多组数据，一次探测将得到海量数据。实际上，在数据分析和处理步骤时使用的数据数量较少。为了增加数据的利用率，提升对工作面地质异常的探查精度，对YDT-3多频无线电波透视仪所采集的数据进行分析对比是非常有必要的。本文把采集数据提炼为最大值、平均值、中位数和最小值，分别分析对比这四种数据的场强值及吸收系数反演效果图，总结了其各自的数据特点，为煤层工作面高效快速探采提供了更好的服务。
2. 无线电波透视法
无线电波透视技术是探测矿井工作面内断层、陷落柱和突水构造等地质构造的一种物探技术方法。电磁波在煤岩层中传播时，由于各种岩层和煤层的电阻率和介电常数各不相同，所以它们对电磁波能量的吸收也各不相同，低阻煤岩层对电磁波具有较强的吸收作用，高阻煤岩层则反之。当传播方向遇到煤岩层中的构造界面时，均能对电磁波产生折射、反射和吸收，使得信号显著减弱或者接受不到信号，从而形成一个“阴影区”，这便是所要探测异常区的范围。
YDT-3型矿用无线电波透视仪器是基于安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司最新的三频耦合电磁波探测技术研制而成，采用微秒级连续发射及采集方式，发射机与接收机自动匹配，确保发射接收同步，一次探测可以接收到多个三频数据，可同时完成多频响应场和背景场数据采集工作。此仪器主要由发射机、接收机、发射天线和接收天线构成。图1为YDT-3矿用无线电波透视仪系统组成图。
Figure 1. YDT-3 radio wave perspective instrument at mine
图1. YDT-3矿用无线电波透视仪系统组成图
3. 实施步骤
Figure 2. Flow chart of implementation steps
图2. 实施步骤流程图
本文在搜集无线电波透视探测相关文献的基础上，对无线电波透视原理以及YDT-3型矿用无线电波透视仪器进行理论分析及研究。以安徽理工大学西教学楼以及刘庄矿某工作面为实验场地进行仪器布置以及采集数据，最后进行数据处理与分析得出结论。具体的实施步骤流程图如图2。
4. 地面实验
4.1. 地面实验及测线布置
本次实验是以安徽理工大学西教学楼作为实验场地，该场地东西长度为120 m，南北长度为70 m。总体上可以将该场地分为5段，如图3所示，其中0~13 m段和106~120 m段为空气段，标为Y1、Y5区；由于教学楼为非对称结构，根据墙体厚度分为三段，分别在13~54 m、54~84 m和84~106 m处，标为Y2、Y3、Y4区。此次实验以YDT-3仪器作为实验仪器，选择158 KHz工作频率的接收信号为对比数据进行分析，对比数据包括平均值、中位数、最大值和最小值。实验过程中，在教学楼的南北两侧布置2条测线，并将北侧测线定为测线1，南侧测线定为测线2。测线长120 m，测线上每隔2.5 m布置一个发射点，0.5 m一个接收点，共47个发射点，241个接收点。
Figure 3. Actual situation of the experimental site
图3. 实验场地实况图
4.2. 数据处理分析及对比
采用ETC2.0电磁波处理系统对4种数据进行处理，透视实测场强值变化如图4所示，吸收系数成像图如图5所示。由于接收段过多，难以直接从实测场强图中直接对比4种数据的差异，因此从实测透视场强曲线中选取了4个具有代表性的发射点对4种数据进行分析，分别是Y2区域75号发射点、Y3区域120号发射点、Y4区域200号发射点和Y5空气段230号发射点，如图5所示。从总体上看，场强范围在20~80 dB之间，Y5空气段230号发射点对应的场强信号最高，约62~80 dB，Y4区域200发射点对应的场强信号最低，约28~34 dB，这是因为Y5区域对应空气段，而在200发射点发射的无线电波穿过了教学楼区域最厚的墙体。对比4组数据可看出，最大值所对应的场强曲线在4个发射点场强图中都是最高的，最小值反之，而平均数和中位数场强曲线从数据和形状上看都极其相似；相比其他3个区域，Y5区域230号1发射点4个数据场强曲线几乎重合，这说明电磁波透视传播方向无障碍物，其最大值、最小值、平均值和中位数无明显差异。对比分析每组数据，最大值场强值最高，透视效果最好；中位数和平均数的探测效果次之，此二者数据极其相似，这是由于每个接收点接收到的场强数据方差较小造成的，如果数据方差较大也可能会导致中位数和平均数两组场强曲线有明显差异，如Y2段120号发射点，中位数曲线波动相对不稳定；电磁波透视最小值场强数据最小，容易受外界干扰而产生波动。
Figure 5. Comparison diagram of a one-point field intensity curve
图5. 单点场强曲线对比图
Figure 6. Absorption coefficient diagram
图6. 吸收系数反演图
从吸收系数反演图6中可以看出，位于空气段的Y1和Y5区吸收系数最低，约在0.05 dB·m−1以下；对比教学楼处的吸收系数，Y2处较低，Y3处较高，Y4为高吸收系数段，结果和教学楼墙体厚度相匹配。总体来看，平均值和最大值的吸收系数图均能较好反馈实际探测结果；中位数吸收系数图中，Y2区域吸收系数值反而高于Y3区域吸收系数，这是可能由于场强数据样本较少且分布不均匀而造成的；最小值吸收系数图未能明显区分Y1~Y4区域。综上所述，平均值和最大值所呈现出的效果最好，最小值所呈现出的效果最差，中位数在样本分布均匀或者样本数足够的情况下，才能获取良好的数据。
5. 工程案例
5.1. 工作面地质况及施工布置
Figure 7. Actual situation of the working face
图7. 工作面实况图
本实例以刘庄矿某工作面为例。工作面机巷可采长度为1405.9 m，风巷可采长度为1438.8 m，工作面宽度约310 m；工作面内有15条断层，落差在0.5 m~6 m，根据断层位置大致划分5个区域。在工作面布置2条巷道，并将东南工作面定为风巷，西北工作面定为机巷。矿区工作面实况图如图7所示。
本次探测选用YDT-3透视仪为实验仪器，工作频率为158 KHz。本次实验在风巷布置20个发射点，机巷布置19个发射点，每个发射点对应17个接收点，每个接收点采集3 s数据。本次坑透发射点间距为50~80 m，接收点间距10 m，矿区实验测线如图8所示。
Figure 8. Experimental observation system
图8. 实验观测系统
5.2. 探测结果分析对比
采用ETC2.0电磁波处理系统对4种数据进行处理，透视实测场强值变化如图9所示，吸收系数成像图如图9所示。从总体上看，场强范围在5~50 dB之间。Y1、Y2、Y3、Y4以及Y5区域对应的场强信号较低，约5~38 dB，除此之外的区域对应的场强信号较高，约25~50 dB。因为Y1、Y2、Y3、Y4以及Y5区域发射的无线电波穿过了数条断层，其他区域为无断层的煤层区域。对比分析每组数据，最大值相对于其他三个值，场强值最高，透视效果最好；平均值和中位数次之，此二者场强曲线相似；最小值透视探测场强值范围最低。
从吸收系数反演图10中可以看出，划分的断层影响区域基本处于中高吸收系数段，约在0.08~0.14 dB·m−1。其中，平均数和最大值的吸收系数图能很好地反馈实际探测效果；由于此次探测样本数充足且数据分布均匀，中位数也能反映较好的探查结果；最小值的吸收系数普遍较低，未能识别Y2区域的断层，对其他区域的分辨能力也较差。综上所述，平均值和最大值所呈现出得效果最好，最小值所呈现出得效果最差，中位数在样本分布均匀和样本数足够的条件下获取了良好的数据。
6. 结论
YDT-3型矿用无线电波透视仪器采集的数据数量较大，为增大其数据利用率，提高探测结果的分辨率，需将采集到的数据进一步处理和归类，本文选择平均值、中位数、最大值和最小值进行数据对比，以此分析每种数据的探查效果。
a) 最大值对应的透视场强值最高，对异常的反应较为明显；最小值的透视场强值最低，对异常的分辨率最差，易受到背景信号的干扰；选用最大值处理实验数据效果更好。
b) 中位数和平均值对应的场强数据通常相似，但数据样本分布不均，方差较大时，其数据差异较为明显，选择平均值处理实验数据效果更好。
基金项目
煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心(安徽理工大学)开放基金资助(EC2022010)。