简介：特厚煤层综放开采中,提前掌握含夹矸顶煤厚度变化规律对工作面精准高效放煤至关重要,超宽带探地雷达技术虽为顶煤厚度探测新手段,但目前对含夹矸复杂顶煤结构电磁波波场特征认识不足,夹矸位置、厚度及属性精准辨识能力等有待提升.研究基于时域有限差分法原理,建立探地雷达电磁波衰减模型,推导电磁波在煤矸混合介质中的传播衰减机理,明确介质参数与衰减规律的关联;通过GprMax软件进行数值仿真分析,构建包含不同夹矸位置、厚度及属性组合的地质模型,系统探究电磁波传播特性;搭建8种不同煤矸构造的室内试验模型,在豫西煤田某煤矿12240含夹矸特厚煤层综放工作面开展现场实测,验证研究成果的可靠性与工程适用性.结果表明:煤层介质内电磁波传播速度不受电导率影响,随煤层相对介电常数增大单调降低,随中心频率升高轻微减小,而煤岩分界面处电场峰值强度随煤层电导率升高持续衰减,与相对介电常数呈显著负相关,与中心频率呈弱正相关.电磁波在夹矸上下界面产生反射,夹矸内传播速度、电场强度明显小于煤层,衰减幅度与介质属性同步变化,夹矸位置变化会诱发波长相关相长或相消干涉现象,传播速度随夹矸厚度增大线性减小,厚度超垂直分辨率阈值后煤岩分界面电场峰值强度衰减幅度趋近稳定,夹矸相对介电常数升高会导致波速显著降低及场强衰减.基于所得波场响应特征,构建兼顾穿透深度与分辨率的雷达电磁波最佳中心频率模型,计算结果误差控制在7％以内.提出夹矸结构分层识别精确方法,通过提取夹矸上下界面反射波双程走时,结合已知煤层电性参数反演夹矸位置、厚度及相对介电常数,实现夹矸多参数同步解译,室内试验与井下实测验证结果显示,该识别方法的反演误差在5％上下浮动,具备较高的精准度.研究揭示的电磁波在复杂煤矸介质中传播波场响应特征及界面反射波随构造结构变化规律,可为探地雷达在煤矿井下工程应用提供理论基础.展开
