無線電波坑透法初始場強確定規(guī)律分析

王少飛

（西山煤電（集團(tuán)）公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053）

西山煤電集團(tuán)公司西山礦區(qū)共有9個礦井，主要開采山西組02號、2號煤層和太原組8號、9號煤層。西山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為高角度正斷層，而且?guī)r溶陷落柱極為發(fā)育。因此，從20世紀(jì)70年代開始，無線電波坑透法就作為一種常規(guī)手段用于探測工作面內(nèi)部的斷層、陷落柱及其它隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

1 無線電波坑透法基本原理

電磁波在地下巖（煤）巖層中傳播時，各種巖（礦）石電性（介電常數(shù)，電阻率等）有所不同，造成它們對電磁波能量吸收和反射存在一定差異，電阻率低的巖（礦石）的吸收和反射能力較強。當(dāng)存在斷層、陷落柱、褶皺、斷裂發(fā)育帶等構(gòu)造的界面，電磁波將產(chǎn)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，就會造成電磁波的能量衰減和損耗。依據(jù)工作面中各種地質(zhì)構(gòu)造界面對電磁波所造成的影響，分析信號的數(shù)值衰減值，從而推斷其地質(zhì)構(gòu)造。

2 無線電波坑透勘探方法

坑透法一般在兩巷道間進(jìn)行，在井下預(yù)先布置發(fā)射點和接收點的位置，如果在皮帶巷布置發(fā)射點，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，則在軌道巷安置接收機觀測電磁場場強信號。皮帶巷整條巷道發(fā)射完畢，依上述方法軌道巷再逐點發(fā)射一次，坑透工作面采集數(shù)據(jù)完成。采用定點法工作，發(fā)射點距為50m，接收點距為10m.

3 無線電波坑透資料處理

無線電波透視資料的解釋方法有綜合曲線法和成析層像法，在各礦區(qū)主要采用綜合曲線和層析成像技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行處理解釋。

3.1 綜合曲線法

將各接收點的實測場強H值與相應(yīng)的理論場強Hp值進(jìn)行比較，取得衰減系數(shù)η，即lgη=lgH-lgHp，以接收點點位為橫坐標(biāo)，以H、Hp和η的算術(shù)值為縱坐標(biāo)按比例繪制成圖，就得到關(guān)于H、Hp、η值的3條曲線，稱為綜合曲線圖。在均勻介質(zhì)中，lgη=0，但出現(xiàn)負(fù)值時，說明工作面內(nèi)有地質(zhì)異常體，據(jù)衰減系數(shù)η值的變化，并參考實測強場H和理論場強Hp曲線，對異常體進(jìn)行分析解釋。

3.2 CT成像法

利用均勻介質(zhì)中的傳播公式，假設(shè)發(fā)射點（天線軸）中點O為原點，在近似均勻、各項同性煤層中，任意點到O點的距離為r，任意點的理論電磁波場強度Hp可表示為下式：

式中：

H0—決定于發(fā)射功率和天線周圍煤層的初始場強，dB；

β—煤層對電磁波的吸收系數(shù)；

r—觀測點到O點的直線距離，m；

sinθ—方向性因子，可視為常數(shù)，取1.

把坑透工作面劃分成有不同吸收系數(shù)的若干小單元（像元），每一小單元內(nèi)可視為介質(zhì)均勻的。多個發(fā)射點上對場強分別進(jìn)行多重觀測，可以得出工作面內(nèi)每個單元的場強值。

在輻射條件不隨時間變化時，初始場強H0是一常數(shù)，一般根據(jù)經(jīng)驗確定。通過對西山礦區(qū)近幾年無線電波坑透數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，總結(jié)得出了初始場強H0在本礦區(qū)的取值規(guī)律，其取值范圍與工作面的采寬和實測場強有關(guān)，見表1.

表1 初始場強H0的取值范圍表

H0的大小直接影響衰減系數(shù)η以及每個單元的場強值，如果H0選取偏小，單元的理論場強值偏小，衰減系數(shù)lgη比實際更接近于0，從而真實異常區(qū)范圍縮小甚至消失；反之H0選取偏大，單元的理論場強值偏大，衰減系數(shù)lgη比實際更遠(yuǎn)離于0，造成假異常。

4 無線電波坑透法井下探測工作

4.1 回采工作面地質(zhì)概況

西山煤電集團(tuán)公司西銘礦48709工作面位于北七采區(qū)，所采煤層為8號煤，節(jié)理發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)1.97（0.29）0.85，為穩(wěn)定的中厚煤層。煤層傾角2°～18°，平均5°，標(biāo)高+1007～+1025m.工作面傾斜長216m.該工作面整體構(gòu)造比較發(fā)育，有3條正斷層，走向為北東向及北東東向，落差0.3～2.0m.膠輪車巷80～85號點有一長軸65m的陷落柱。工作面煤層走向變化較大，0～700m煤層走向與工作面走向夾角約70°，700～1500m煤層走向與工作面走向一致。

西銘礦42211工作面位于西十二采區(qū)，所采煤層為2號煤，平均煤厚1.9m，為穩(wěn)定的中厚煤層。煤層傾角2°～7°，平均3°，標(biāo)高+990～+1068m，工作面傾斜長205m.該工作面整體構(gòu)造較發(fā)育，有2條走向為北西向的正斷層，落差0.5m，膠輪車巷100號點有一長軸33m的陷落柱。工作面煤層走向變化較大，0～700m煤層走向與工作面走向一致，700～800m煤層走向與工作面走向夾角約70°，800～1500m煤層走向與工作面走向夾角約90°.

4.2 儀器參數(shù)選定

現(xiàn)階段西山礦區(qū)使用的坑透儀為WKT-E型儀器，其主要特點是工作穩(wěn)定、抗干擾、透距大、智能化、操作方便，是目前礦井物探方法中比較成熟的一種物探儀器。儀器工作頻率0.5MHz.

4.3 數(shù)據(jù)分析

48709工作面走向長1500m，發(fā)射點31個，接收點368個。48709工作面0～70號發(fā)射點實測場強值范圍37～45dB，75～150號發(fā)射點實測場強值整體范圍21～32dB，其中80號發(fā)射點實測場強值為

14～23dB.

42211工作面走向長1500m，發(fā)射點31個，接收點368個。西銘礦42211工作面0～80發(fā)射點，實測場強值范圍22～30dB，75～150號發(fā)射點，實測場強值范圍36～50dB，其中100號發(fā)射點實測場強值為22～30dB.

根據(jù)工作面煤層走向可以發(fā)現(xiàn)煤層走向與場強的關(guān)系，即工作面煤層走向與探測方向一致時，實測場強較大；反之，工作面煤層走向與探測方向夾角近似垂直時，實測場強較小。還可以發(fā)現(xiàn)同一工作面的實測場強值分成了差異很大的兩個范圍，因此，初始場強H0就必須依照實測場強范圍進(jìn)行分段選值。西銘礦48709工作面0～70號測點選取H0=155dB，71～180號測點選取H0=148dB；西銘礦42211工作面0～80號測點選取H0=155dB，81～150號測點選取H0=133dB.

通過分段處理，選取不同的初始場強值，反映出48709工作面80號發(fā)射和42211工作面100號發(fā)射點實測場強偏低是由陷落柱影響造成的。這樣就區(qū)分了因陷落柱和煤層走向造成實測場強偏低的區(qū)域，即沒有將陷落柱遺漏，也不會造成大范圍假的異常區(qū)。

5 結(jié) 論

通過對無線電波坑透法磁場強度的理論分析及西銘礦48709工作面和42211工作面數(shù)據(jù)分析，理論場強H0值選取的合理與否直接影響衰減系數(shù)η，從而決定了最終異常區(qū)確定的準(zhǔn)確性，所以，即使在同一工作面，理論場強H0值也要根據(jù)工作面的特征，煤巖層的性質(zhì)以及實測場強值的范圍的不同而做不同的選定。

［1］ 吳榮新，劉盛東，肖玉林，等.工作面無線電波透視實測場強成像分析及應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2010，31（增刊1），435-438.