巷道無(wú)線(xiàn)電波坑道透視技術(shù)

陳勝然 杜樂(lè)樂(lè) 宋佳 李世超

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 10083

礦井生產(chǎn)中，工作面內(nèi)部構(gòu)造的存在給生產(chǎn)帶來(lái)了不同程度的影響，也是工作面安全回采的一大安全隱患[1]。這就需要我們?cè)谝延械刭|(zhì)資料的基礎(chǔ)上結(jié)合先進(jìn)的物探技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)工作面內(nèi)的各種構(gòu)造。無(wú)線(xiàn)電波坑道透視技術(shù)就是一種較為成熟的煤礦井下物探方法。采用無(wú)線(xiàn)電波透視技術(shù)對(duì)某礦12041工作面的構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè),結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐具有較好的一致性,這對(duì)于該工作面安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)線(xiàn)電波坑道透視是用來(lái)探測(cè)順煤層兩煤巷、兩鉆孔或煤巷與鉆孔之間的各種地質(zhì)構(gòu)造異常體的一種物探方法，如圖1所示。其觀測(cè)方法分為同步法（一對(duì)一）和定點(diǎn)法（一對(duì)多）。同步法是將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別安裝在不同的巷道或鉆孔中，同時(shí)做等距移動(dòng)，逐點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射和接收；定點(diǎn)法即在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)射機(jī)的位置相對(duì)固定，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值。

圖1 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視原理圖

在順煤層的兩巷道或兩鉆孔中進(jìn)行電磁波透視。以輻射源的中點(diǎn)O為原點(diǎn)，P為觀測(cè)點(diǎn)，在各項(xiàng)同性、近似均勻的煤層中，P點(diǎn)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式為：

式中：H0為在一定的發(fā)射功率下，天線(xiàn)周?chē)簩拥某跏紙?chǎng)強(qiáng)，A/m；β為煤層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；r 為發(fā)射點(diǎn)P到O點(diǎn)的直線(xiàn)距離，m；(θ)為方向性因子，θ為偶極子軸與觀測(cè)點(diǎn)方向的夾角，一般采用(θ)=sin（θ）來(lái)計(jì)算[2-3]。

當(dāng)輻射條件不隨時(shí)間變化時(shí)，初始場(chǎng)強(qiáng)H0為常數(shù)，此時(shí)吸收系數(shù)β是影響場(chǎng)強(qiáng)幅值的主要參數(shù)，β值越大，場(chǎng)強(qiáng)變化就越大。吸收系數(shù)與煤層的電阻率及電磁波的頻率等電性參數(shù)有關(guān)：在同一均勻煤層中，煤層電阻率越低、電磁波頻率越高吸收系數(shù)就越大，電磁波穿透煤層距離就越近。

當(dāng)電磁波遇到煤層中的構(gòu)造破碎帶、斷裂構(gòu)造的界面以及富含水帶等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象，從而造成電磁波能量的損耗。因此，當(dāng)發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿越煤層的過(guò)程中，遇到斷層、陷落柱、富含水帶、煤層產(chǎn)狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質(zhì)異常體時(shí)，接收到的電磁波能量就會(huì)明顯減弱，這就會(huì)形成透視陰影（異常區(qū)）[4]。

2 工作面概況

該礦主采山西組二1煤層，煤層厚度4.62m～6.81m，平均6.03m，開(kāi)采深度570m～930m。12041工作面位于該礦I盤(pán)區(qū)上部，-600m水平，其平均走向長(zhǎng)度2310.2m，傾斜長(zhǎng)度170m，開(kāi)采二1煤層，煤層平均厚度6.12m，煤層傾角介于0°～9°之間，平均4.5°。工作面切眼東南199m是F18斷層，西北側(cè)是I盤(pán)區(qū)三條大巷，東北側(cè)是未開(kāi)采的12061工作面，西南側(cè)是未開(kāi)采的12021工作面。12041工作面內(nèi)共揭露10條斷層，各斷層落差介于0.7～2.3m。其中上順槽揭露F113、F116、F117、F118、F119、F120、DF11、F123、F124九條斷層，下順槽揭露F115一條斷層，均為正斷層，其中F116、F117、F118三條斷層形成一個(gè)較大的構(gòu)造薄煤帶，對(duì)回采工作影響較大。F119斷層形成的構(gòu)造薄煤帶，對(duì)回采工作也有影響。

3 探測(cè)儀器及方法

3.1 探測(cè)儀器

本次探測(cè)選用的是WKT-E型無(wú)線(xiàn)電波坑道透視儀。該儀器具有工作穩(wěn)定，探測(cè)范圍廣，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在全國(guó)50多個(gè)大型礦務(wù)局推廣使用，是目前礦井物探儀器中較為成熟的一種物探設(shè)備。該礦12041工作面傾斜長(zhǎng)度約170m。經(jīng)井下探測(cè)頻率實(shí)驗(yàn)，頻率選用0.5MHz，該頻率穿透距離相對(duì)較大且精度較高。

3.2 探測(cè)方法

本次探測(cè)采用定點(diǎn)法。測(cè)點(diǎn)布置是其關(guān)鍵步驟，也是本次探測(cè)的首要工作，測(cè)點(diǎn)布置前須對(duì)工件面的位置及形狀、掘進(jìn)中揭露的構(gòu)造、煤層厚薄變化、瓦斯和含水等情況有一定的了解。根據(jù)12041工作面的實(shí)際情況，選用工作面中間一段進(jìn)行細(xì)致探測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為10m，發(fā)射點(diǎn)間距設(shè)定為50m。12041工作面所探測(cè)距離為600m，共布置122個(gè)測(cè)點(diǎn)，22個(gè)發(fā)射點(diǎn)。其中，工作面上巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為0～60號(hào)，工作面下巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為500～560號(hào)，如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視布置示意圖

4 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視結(jié)果分析

將12041工作面的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，把場(chǎng)強(qiáng)衰減異常取為-10dB。根據(jù)計(jì)算機(jī)處理結(jié)果，圈定三處較為集中的異常區(qū)，分別命名為A異常區(qū)、B異常區(qū)和C異常區(qū)。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料，異常區(qū)可能是煤層變化區(qū)域或構(gòu)造密集發(fā)育區(qū)域。三個(gè)異常區(qū)中的具體情況如下：

A異常區(qū)：位于12041工作面上巷測(cè)點(diǎn)10～20（實(shí)際距離850～950m），12041工作面下巷510～520（實(shí)際距離900～1000m）之間，該異常區(qū)相對(duì)周?chē)簩觼?lái)看是衰減最大、數(shù)據(jù)偏小、異常最集中、范圍最廣的區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)衰減最大達(dá)到-20dB多。結(jié)合地質(zhì)資料分析，推斷為薄煤層帶或斷層破碎帶，另外以此向兩邊范圍均有衰減，可能為異常區(qū)的漸變過(guò)程所致。

B異常區(qū)：位于12041工作面上巷測(cè)點(diǎn)25～30（實(shí)際距離1000～1050m），12041工作面下巷525（實(shí)際距離1050m附近）之間，該異常區(qū)相對(duì)其他異常區(qū)來(lái)看是場(chǎng)強(qiáng)衰減相對(duì)較大的一個(gè)區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)衰減最大達(dá)到-10dB。結(jié)合地質(zhì)資料分析，推斷為該處小斷層引起的數(shù)據(jù)衰減造成。

C異常區(qū)：位于12041工作面上巷測(cè)點(diǎn)50～55（實(shí)際距離1250～1300m），12041工作面下巷550～555（實(shí)際距離1300～1350m）之間，該異常區(qū)相對(duì)其他異常區(qū)來(lái)看是場(chǎng)強(qiáng)衰減相對(duì)較大的一個(gè)區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)衰減最大達(dá)到-10dB。結(jié)合地質(zhì)資料分析，推斷為該處小斷層引起的數(shù)據(jù)衰減造成。

綜上三個(gè)異常區(qū)，最主要的為A異常區(qū)，范圍大、場(chǎng)強(qiáng)衰減幅度大，區(qū)域較集中，建議礦方打鉆驗(yàn)證，同時(shí)做好安全防范工作；其余兩個(gè)異常區(qū)相對(duì)較小，場(chǎng)強(qiáng)衰減幅度較小，也不排除受到每層變化引起的數(shù)據(jù)變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)回采驗(yàn)證,無(wú)線(xiàn)電波坑道透視結(jié)果與工作面實(shí)際揭露情況基本吻合。如果在沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電波坑透物探資料的情況下揭露地質(zhì)構(gòu)造，很可能造成工作面不能正?；夭桑踔猎斐砂踩鹿?。而在有無(wú)線(xiàn)電波坑透物探資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行回采，可以提前分析構(gòu)造對(duì)開(kāi)采的影響，從而采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施，確保礦井安全生產(chǎn)。說(shuō)明該技術(shù)起到了超前預(yù)測(cè),指導(dǎo)生產(chǎn)的作用。

[1]盧國(guó)梁,侯志鷹.地質(zhì)構(gòu)造綜合探測(cè)技術(shù)在塔山礦的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008,36(9)：95-98.

[2]郭然,董秀桃,張旭剛.綜采面地質(zhì)小構(gòu)造無(wú)線(xiàn)電波坑道透視技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009,37(11)：99-105.

[3]朱懷志,劉合廷,張均仿.無(wú)線(xiàn)電磁波坑透探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2005,24(12)：101-102.

[4]湯友誼,陳江峰,彭立世.無(wú)線(xiàn)電波坑道透視構(gòu)造煤的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2002,27(3)：254-258.