無線電波坑道透視技術(shù)在辛置煤礦的應(yīng)用

賈金鳳，張 星

(1.霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 030400;2.霍州煤電集團(tuán) 地質(zhì)處，山西 霍州 030400)

辛置煤礦礦區(qū)內(nèi)斷層和陷落柱廣泛發(fā)育，現(xiàn)已揭露大小斷層2 500多條，最高密度可達(dá)280條/km2，平均密度為150條/km2;已揭露陷落柱176個(gè)，最大密度可達(dá)20個(gè)/km2，最大直徑達(dá)125 m。斷層和陷落柱嚴(yán)重影響本礦的安全高效開采。無線電波坑道透視技術(shù)是一種比較成熟的物探手段，能夠?qū)ぷ髅鎯?nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行有效探測(cè)，已在我國的大中型煤礦廣泛使用［1－5］。任何物探技術(shù)均有其優(yōu)缺點(diǎn)，無線電波坑道透視技術(shù)同樣也不例外［5－6］，本文就以辛置煤礦10－413工作面為例，驗(yàn)證該技術(shù)的預(yù)測(cè)精度和優(yōu)缺點(diǎn)。

1 工作面地質(zhì)構(gòu)造概況

霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦10－413工作面位于東四采區(qū)東南側(cè)，該工作面整體呈單斜構(gòu)造，西高東低，工作面東南部有兩個(gè)小型褶曲。工作面地面標(biāo)高725～825 m，工作面標(biāo)高373～427 m，走向長(zhǎng)1 431 m，傾向長(zhǎng) 203 m。煤層總厚度2.42～2.76 m，煤層結(jié)構(gòu)1.30(0.44)0.47(0.20)0.33，煤層傾角為 4°～6°。10－413工作面周圍巷道掘進(jìn)期間揭露5條斷層，此外根據(jù)上覆2#煤采空區(qū)地質(zhì)資料顯示，圈定工作面內(nèi)可能存在若干陷落柱。10－413工作面的巖性柱狀圖見圖1。10#煤層直接頂板為泥巖及9#煤，厚度1.3 m，老頂為K2灰?guī)r，厚度為7～9 m，直接底板為砂質(zhì)泥巖，厚0.8～1.2 m，老底為中 －細(xì)砂巖，厚6～8 m。

圖1 10－413工作面巖性柱狀圖

2 坑透探測(cè)條件

2.1 探測(cè)儀器和探測(cè)頻率

本次探測(cè)工作采用WKT－E型無線電波坑道透視儀。辛置煤礦10－413工作面的切割巷寬度約為200 m，經(jīng)井下探測(cè)頻率實(shí)驗(yàn)，選用0.3 MHz頻率進(jìn)行工作面透視工作。

2.2 探測(cè)方法及條件

探測(cè)方法采用分辨率較高的定點(diǎn)掃描法進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為10 m，發(fā)射點(diǎn)間距設(shè)定為50 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn)。10－413外圍工作面共布置了90個(gè)測(cè)點(diǎn)，16個(gè)發(fā)射點(diǎn)。在進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射時(shí)間設(shè)定為3 min，接收時(shí)間設(shè)定為3 min;換發(fā)射點(diǎn)時(shí)間設(shè)定為2 min，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)工作循環(huán)為5 min。探測(cè)工作總共進(jìn)行了5 h多。

3 探測(cè)資料解析和討論

10－413工作面無線電波坑道透視圖見圖2。

圖2 10－413工作面無線電波坑透圖

由圖2可以看出，10－413回采工作面存在若干構(gòu)造異常區(qū)域，其中最明顯的異常區(qū)位于10－413外圍回采工作面距C面切巷400～480 m(即45～55號(hào)坑透點(diǎn))，該異常區(qū)相對(duì)周圍煤層衰減度較大，異常衰減范圍比較集中，影響面積較廣，場(chǎng)強(qiáng)衰減最大達(dá)到－15 dB。此外，在10～20號(hào)坑透點(diǎn)之間、20～30號(hào)坑透點(diǎn)之間也存在較為明顯的異常區(qū)域。

10－413工作面坑透綜合曲線圖見圖3。

圖3 10－413工作面坑透綜合曲線圖

由圖3可知，1號(hào)異常點(diǎn)(10～20號(hào)坑透點(diǎn)之間)場(chǎng)強(qiáng)接收值比較小，場(chǎng)強(qiáng)變化曲線接收值逐漸減弱，然后逐漸增強(qiáng)，形成一個(gè)明顯的“凹”字形狀;2號(hào)異常點(diǎn)(20～30號(hào)坑透點(diǎn)之間)場(chǎng)強(qiáng)接收值較弱，場(chǎng)強(qiáng)變化曲線盡管略有的波動(dòng)，但總體較為平緩;3號(hào)異常點(diǎn)(40～50號(hào)坑透點(diǎn)之間)場(chǎng)強(qiáng)衰減比較大(＞－9 dB)，場(chǎng)強(qiáng)變化曲線無規(guī)律;4號(hào)異常點(diǎn)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)接收值較小，場(chǎng)強(qiáng)變化曲線呈現(xiàn)明顯的“凹”字形。

對(duì)不同地質(zhì)異常體用電磁波透視的研究表明:相對(duì)于正常接收值，斷層的影響曲線變化較為平緩，但是接收值明顯減弱，衰減值顯著增強(qiáng);橢圓形的陷落柱構(gòu)造異常影響曲線接收值會(huì)逐漸減弱，然后逐漸增強(qiáng)，形成一個(gè)明顯的“凹”字形狀;圓型陷落柱的構(gòu)造異常影響曲線接收值變化趨勢(shì)與橢圓型陷落柱的類似，但是在垂直巷道方向上，隨著異常半徑的增大，異常帶變的越寬，接收值變的越弱，衰減值越強(qiáng)［5］。因此，可以推斷10－413工作面中1號(hào)和4號(hào)坑透異常點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)為陷落柱;2號(hào)坑透異常點(diǎn)應(yīng)為斷層;而3號(hào)異常點(diǎn)坑透綜合曲線變化沒有規(guī)律，無法準(zhǔn)確推斷對(duì)應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造，但因?yàn)樵擖c(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)衰減非常大，可以認(rèn)定該區(qū)域肯定存在較復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造。

地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育和分布受構(gòu)造應(yīng)力和巖層的巖性特征等因素限制，不同成因和不同性質(zhì)的構(gòu)造通常成組發(fā)育分布。如果在同一個(gè)異常區(qū)內(nèi)存在兩種或兩種以上的構(gòu)造時(shí)，構(gòu)造之間則會(huì)存在相互屏蔽作用，規(guī)模較大的斷層通常掩蓋規(guī)模較小的斷層或斷層和陷落柱之間相互掩蓋影響，即構(gòu)造體的疊加效應(yīng)。而無線電波坑透儀無法定性分辨多重構(gòu)造體，在地質(zhì)解析時(shí)只能概括性地圈定為一個(gè)整體異常區(qū)域(“陰影區(qū)”)［6］。在這種情況下只能結(jié)合電磁場(chǎng)衰減情況和已知揭露的地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)推斷。

實(shí)踐證明，利用無線電波坑道透視技術(shù)對(duì)煤層工作面內(nèi)構(gòu)造(斷層、陷落柱、薄煤帶)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，不是所有地質(zhì)構(gòu)造都能夠反映出來，只有當(dāng)構(gòu)造達(dá)到一定規(guī)模時(shí)(對(duì)煤層的影響程度)其電磁場(chǎng)的衰減特征才能有效地反映出來［6］。通常情況下，無線電波坑道透視探測(cè)技術(shù)要求包括:斷層的落差需要大于1/2正常煤厚;陷落柱的長(zhǎng)軸直徑應(yīng)大于15 m;煤層變薄帶煤厚度需要大于1/2正常煤厚。因此，實(shí)際工作中一些小規(guī)模的構(gòu)造如斷層落差小于1/3煤厚時(shí)其特征沒有被有效反映，探測(cè)的可靠性相對(duì)較低，一般情況不對(duì)其做地質(zhì)解析。

10－413工作面回采對(duì)構(gòu)造體的揭露情況見圖4。由圖4可知，該工作面存在4個(gè)陷落柱，5條規(guī)模不等的斷層，其中 124#、125#和 126#陷落柱與 F1、F2、F3和F4斷層同在一個(gè)區(qū)域。結(jié)合對(duì)坑透綜合曲線異常點(diǎn)的分析結(jié)果可以判斷，異常點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的構(gòu)造體為93#陷落柱;異常點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造體為F5斷層;異常點(diǎn)3和異常點(diǎn)4測(cè)定的區(qū)域有一部分重疊，異常點(diǎn)4對(duì)應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造體可能為126#陷落柱，而異常點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的構(gòu)造為多重構(gòu)造，包括F1、F2、F3和F4斷層、124#和125#陷落柱，因此，造成該處的坑透綜合曲線變化沒有規(guī)律，而且場(chǎng)強(qiáng)衰減非常嚴(yán)重。

圖4 10－413工作面地質(zhì)構(gòu)造揭露情況圖

10－413工作面回采揭露的斷層和陷落的參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 10－413工作面的地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)表

由表1可知，該工作面的正常煤厚2.64 m，該工作面揭露的5條斷層(F1、F2、F3、F4和F5)的落差均大于 1.3 m(1/2 正常煤厚)，4 個(gè)陷落柱(93#、124#、125#和126#)長(zhǎng)軸直徑均遠(yuǎn)大于15 m。因此，該工作面內(nèi)的5條斷層和4個(gè)陷落柱對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)衰減特征均比較明顯，當(dāng)4條斷層和3個(gè)陷落柱同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)區(qū)域的時(shí)候就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的疊加效應(yīng)，坑透綜合曲線變化沒有規(guī)律，場(chǎng)強(qiáng)衰減嚴(yán)重，無法對(duì)整體異常區(qū)域進(jìn)行定性地質(zhì)解析。

另外，巖性、巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和濕度、巖體的應(yīng)力狀態(tài)等因素能夠直接影響電磁波傳播效果，巷道在煤層中所處的位置、巷道附近的金屬支架、接地的鐵軌、電溜子、電纜等人工導(dǎo)體也會(huì)影響坑透分析結(jié)果。在坑透探測(cè)之前必須對(duì)工作面進(jìn)行適當(dāng)處理，即在靠近運(yùn)輸(或回風(fēng))大巷附近工作面順槽的同一處，拆開所有的金屬導(dǎo)體，并將其放置在20～30 m以外接地，這樣可大大降低人為干擾的程度。

綜上所述，無線電波坑道透視技術(shù)能夠有效解析達(dá)到一定規(guī)模的單個(gè)地質(zhì)構(gòu)造體，無法定性解析多重綜合地質(zhì)構(gòu)造體，需要借助已知的地質(zhì)資料或者輔助其他探測(cè)手段進(jìn)行綜合推斷。

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