1、专题部分铁峰南阳坡8600工作面CT预警分析研究摘 要近现代经济的飞速发展，煤矿生产在其中也扮演了重要的角色。然而煤矿在进行工作面回采时，经常遇见未知的地质构造，如断层、陷落柱、应力集中区、高瓦斯区等。这些地址构造对矿井的正常生产和安全生产都会产生重大的影响。为了达到煤矿高效、安全生产，煤矿往往是采取打眼钻孔的方式，通过分析钻孔数据来推测采区内部的构造，进而合理安排采掘工作面。但是钻孔探测的成本很高，且精度也不高。这也增加了煤矿生产成本和降低煤矿生产安全系数。计算机断层扫描（CT）是一个地质体本身为主要研究对象，无线电坑道透视技术是一种井下电磁波法。在地下的煤岩，矿岩石电（电磁波的传播，电阻率
2、，介电常数）不同，通过对电磁波吸收的煤层结构内部校准能力差伴随着陷落、断裂等构造出现的界面，能对电磁波产生折射、反射、散射等作用，也会使电磁波能量衰减和损耗。电磁波穿越煤层的方式中，煤和电性不同地质体的电磁波能量将其部分吸收或完全屏蔽，造成接收信号明显下降，甚至无法接收，形成异常区。然后根据异常的强弱、形态等特征来确定其地质构造。在现实矿用的基础上，对铁峰南阳坡8600工作面进行了计算机断层图像重建，这一结果与真实遇见的非常吻合，这对今后工作面回采产生了重大的影响。关键词：煤矿回采、层析成像、电磁波、图像重建1 绪论1.1 CT背景介绍计算机断层扫描成像术（Computed Tomograph
3、y）简称CT。在许多科学领域都有应用。增强了人类对物体内部结构的观察能力。在医学研究工作中更显示的尤为重要，被用来作为一种获取人体内部信息的有效手段。CT具有很多优点：（1）非接触性。（2）非破坏性。保持地质体的完整性。（3）使用检测对象广泛。（4）图像无重叠、分辨率高。（5）可进行三维显示、数据处理、图像处理、传输。这一点对于煤矿的应用也有重要意义，避免与地质体内部接触，减少钻孔可以为煤矿生产带来更好的经济效益。CT在上世纪70 年代产生，可以追溯到1917奥地利数学家J Radon的贡献，他论证了怎样依据某些线形的积分（即投影）来确定被积函数（即要再建的图像），顺利地解决了由投影再建图像的
4、数学问题，这为CT 技术的产生与发展奠定了理论基础。奥尔登多夫是最早把断层成像术应用于医学领域的人。在1961 年，他成功研制了一个 射线透射成像的装置。Kuhl 和Edwards Kuhl1963在1963 年自主研制了发射型成像装置。这些设备与反投影的算法进行图像重建相类似，图像不清晰。而投影图像精确再建的数学方法是由美国物理学家CormackCormack1963建立的。在1972年英国EMI公司中央研究所工程师G.N.Hounsfield解决了吸收值的问题，顺利地研制出第一台X射线断层摄影电子计算机装置。1974年射线成像技术被正式命名为ComputedTomography简称CT。C
5、T的问世在放射学界产生了极大的轰动，继伦琴发现X 射线后，工程界对放射学诊断的又一个极大的奉献。在1979 年的诺贝尔生理和医学奖，第一次破例授予两位非专业医学经历的科学家G.N.Hounsfield 和A.M.Cormack。从那以后放射诊断学进入了CT 时期。CT的工作原理为投影再建（投影图像再建）。投影再建指的是由目标的多个投影图再建目标图像。在投影重建的原理和方法下，按照投影方式的不同产生了不同种类的CT 成像术。CT 的几种成像术：透射断层成像技术、发射断层成像技术、磁共振成像、反射断层成像。下面对这几种技术作详细的解释及阐述。（1）透射断层成像技术透射断层成像技术（简称X-CT）是
6、发射源在被测物体外部环境中，发射射线穿透物体，使用接收器接收。由于物体吸收一部分射线，则接收器接只能收一部分射线。由于物体不同部位的密度不一样，其对射线的吸收情况不同，所以接收射线的情况即反映物体内部情况。当有大量的射线数据时，即可通过计算机算法重建物体内部图像。（2）发射断层成像技术发射断层扫描（简称E-CT）是一种在物体内部的发射源，发射源具有放射性的离子，则从物体外部检测放射出来的量。它可以了解体内离子的运动，还可以可以检测到物体内部的情况。E-CT普遍分为两种：正电子成像PET和单光子成像SPECT。（3）磁共振成像磁共振成像是利用磁场中的质子和中子的不同特点，作用于物体的共振场信号的
7、适当的强度和频率，信号域中除了当质子吸收能量的释放，是由接收器检测，根据检测到的信号来确定质子的密度。但由于检测到的信号是MRI信号且沿直线的积分。所以检测目标的工作成了投影再建的问题。（4）反射断层成像反射断层是利用投影重建的原理，根据各种介子对光的的反射作用不同来获取数据。雷达系统就是反射波的例子。以上各种成像技术所用的物理原理各不相同，但所检测的信号均承载所求得的数据都是所需要的目标的信息。成像技术的步骤可分三个部分：信息的采集、投影重建、处理和传输。（1）数据采集：获得承载物体内部信息的数据。如煤矿通常用的坑透数据、电法数据。（2）图像重建：是使用各种反演算法从接收的数据中再建能反应物
8、体内部机构的某种物理量的分布图。这也是成像技术的核心。（3）图像后处理：包括图像的锐化、去噪、存储、压缩等。1.2 CT技术在煤矿应用中存在的问题CT技术在煤矿生产中存在的问题主要为以下几点：采集数据过程中产生的误差、数据的采集方式、数据的采集数量、重建算法等。在煤矿工作面CT分析过程中，数据的采集量不足是影响成像效果的主要因素。1、数据采集的各种误差数据的可靠、有效是图像重建的基础。在实际的煤矿工作面，受各种地质条件和其他因素的限制，际测量投影数据会产生各种误差。并且检测器的效率和稳定性也是数据误差的来源。有些误差可以通过硬件校正，有些则需通过算法校正，而有的误差是无法校正的。2、不完全投影
9、数据图像重建问题当投影数据能360度覆盖被测区域时，可以得到准确清晰的重建图像。但受客观条件限制，在煤矿工作面的实际应用中，往往只能采集到部分投影数据，因此对不完全投影数据重建问题的研究有很重要的意义。这类问题可以归结为：角度受限型、中空型、局部重建型。3、重建算法的问题CT图像重建总共有两大类算法，滤波反投影法（FBP）、（卷积反投影法（CBP）、迭代重建法是最基础和最经常用的算法，是其余各种算法的根本基础。滤波反投影法在医学CT 领域中被广泛应用。当投影数据重建算法是准确的，它是一种高效的，但这种算法，可以产生不同的结果。如何选取滤波函数和插值函数是滤波反投影算法的关键。对于迭代重建法中假
10、定断层截面是由一个未知的数字矩阵构成，继而根据所测得的投影数据建立未知矩阵元素的方程组。这是在概念上比变换的方法很简单，但在实际应用中，精度不高，执行速度的不足。为了保证成像的精度和分辨率，需要非常大投影矩阵，这一类矩阵的特点都是高度稀疏的。所以对代数重建法来说，必须采取有效的存贮方法来获得投影矩阵及采用适当的正则化方法，才能取得较好的效果。2 探测区域的地质概况铁峰南阳坡8600工作面，位于5#煤层辅406盘区。地面平均标高为+1356 m，工作面标高+976 m。地面位于铁峰南阳矿工业广场保护煤柱以南，井下位于石炭系5#层406盘区。2.1 煤层概况5#煤层406盘区8600工作面煤层厚度
11、810m，平均厚度9m，含04层夹矸，一般为23层，岩性为泥岩，厚度0.150.95m，一般多为0.30.4m。煤层倾角为613，平均约为8，煤层整体较稳定，全区可采。煤层底板为泥岩，顶板为泥岩和粉砂岩。2.2 采掘工程平面图3 探测目的及原理3.1探测目的铁峰南阳坡8600工作面潜伏的断层构造。3.2 探测原理（1）电磁波透射原理电磁波在岩层中传播的时候，因为各种岩、矿石的电性(电阻率和介电常数)不同，它们各自对电磁波能量吸收能力也不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用。每当波前进方向遇见断裂构造出现的界面时，电磁波就会在界面上产生反射和折射作用，造成电磁波的能量损失。所以在矿井地质条件下
12、，若是发射源发射的电磁波在穿过煤层途中遇见断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变化区或别的构造的时候，波的能量将被吸收或者完全屏蔽，则在接收巷道只能收到微弱信号或收不到透射信号，因而形成透视异常区，即为所需要探测异常体的位置和范围(如图2-1)。现有的坑透仪器，只能测一个固定频率的透射电磁波的磁场振幅分量。在电磁波射线路径上介质电磁性质的变化和波阻抗的变化，造成电磁场强度的变化；反之，分析电磁场强度的变化，就可以预测探测区域内的介质的物理性质的变化。(a)煤层巷道工作布置图 (b)衰减曲线剖面图图2-1 电磁波透视法工作原理图电磁波在煤层及其他介质中任意点的场强表达式为： 2-1式中：介质中某点的实测
13、场强，单位：；：规定发射功率和周围介质的初始辐射场强，单位：；：发射机与接收机之间的垂直距离，单位：；：方向因子，是偶极子轴与观测点方向的夹角，采用来计算。由于在煤矿工作面电磁波CT观测系统中，的最大变化是在76到90之间，因此可以近似认为。：电磁波在介质中传播时，必然有一部分电磁能量伴随着距离的增加而逐渐衰减。是单位距离场强的衰减量，被称为吸收系数。决定于工作频率、介质电阻率、介质磁导率、介电常数等参数的介质吸收系数，一般用下式表达 2-2由式2-2可知，在一定频率()时，值是煤或岩石的介电常数、电导率和磁导率的函数。因为煤层与岩石介电常数差别很大，因此磁导率变化很小，所以电磁波射线路径交替
14、出现的煤岩，它将改变和E值。因为相对于岩煤层波导，其厚度变化时（如煤层变薄），波阻抗的变化也会改变和E值。从式2-1中看出决定某点场强值大小的取决于四个参量，在辐射条件并不随时间变化时，是一个常数，所以我们视同一发射点的初始场强相同。吸收系数是影响随距离的磁场强度的电场幅值的主要参数，因为指数衰减，值越大，强度衰减快。吸收系数是影响场强辐值的主要参数，因为场强随距离呈指数规律衰减的，值越大，场强衰减就越快。对式2-1取对数可以得到 2-3考虑到和是否线性相关，可以定义相关度公式 2-4煤矿工作面的平均长度在200m到300m之间，工作面电磁波CT观测系统采用近似于扇形的观测系统（图2-2）。因
15、此，电磁波射线的传播距离随工作面的长度从最近的200.00m，到最远的304.39m之间变化。如果考虑两种极端情况最短200m宽和最长300m的工作面，以传播距离变化最大的200m长的工作面为参考，根据式2-4可知，其的对应变化在5.2983到5.3287之间。其相关度为99.43%。如果按300m长的工作面计算，的对应变化在5.7038到5.7183之间，其相关度为99.75%。所以可以近似认为式2-3是斜率为的直线，与近似认为是线性关系。因此，完全可以用和构建线性方程求解在工作面内的分布情况。图2-2 煤矿工作面内电磁波CT典型扇形观测系统（2）电磁波CT成像原理电磁波CT技术已经被广泛地应用于煤矿井下工作面检测地质结构。资料解释方法，它也经历了从耗时的、单一的手动方式向地球物理层析成像技术发展。如今的算法主要源于直射线的BPT(Back Projection Technique)、ART(Algebraic Reconstruction Technique)、SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)、LSQR（Least Squares QR-fuctorization）等算法。电磁波CT
