無線電波透視技術在大傾角薄煤層工作面的應用

葉坤輝　張孝建　曹建輝　黃祥寬　陳文生　董 戈

（1.福州華虹智能科技股份有限公司，福建　福州　350003；2.四川廣旺能源發(fā)展（集團）有限責任公司，四川　廣元628017；3.宜賓芙蓉地質勘測設計有限公司，四川　宜賓　644599）

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無線電波透視技術在大傾角薄煤層工作面的應用

葉坤輝1張孝建1曹建輝2黃祥寬2陳文生3董 戈3

（1.福州華虹智能科技股份有限公司，福建福州350003；2.四川廣旺能源發(fā)展（集團）有限責任公司，四川廣元628017；3.宜賓芙蓉地質勘測設計有限公司，四川宜賓644599）

摘要：本文基于礦用無線電波透視儀理論研究和現場實踐，提出以礦用無線電波透視法為技術手段，在大傾角薄煤層工作面的應用。

關鍵詞：無線電波透視法；電磁波；斷層；陷落柱

針對礦井工作面存在的地質構造異常體的探測方法，總體上可以分為地震波和電磁法兩大類。其中以透視方法為主，主要包括震波和槽波CT 方法，直流電法、音頻電透視和無線電波透視技術等方法。無線電波透視方法技術應用較早，其技術方法成熟，操作便捷，因此在煤礦工作面地質異常探查中發(fā)揮著重要的作用。但是，由于技術本身及煤層地質條件的影響，無線電波透技術在大傾角薄煤層工作面的應用中還存在諸多問題，如勘探距離及分辨能力均存在一定的不足之處。筆者通過廣旺礦區(qū)無線電波透視方法的應用與實踐，對電磁波透視技術在大傾角薄煤層中的穿透距離，勘探效果，煤層厚度、構造特征對勘探結果引起的差異等內容進行分析與討論，力求為無線電波透視技術在大傾角薄煤層工作面的應用提供有效的技術參數，進一步提高工作面內地質構造異常探查的精度和準確率。

1 無線電波透視法基本原理

電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構造所出現的界面時，電磁波將在界面上產生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構造時，波能量被吸收或完全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構造及地質體對電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進行地質推斷和解釋。

2 無線電波透視工作原理

工作面電磁波透視法通過天線在一巷發(fā)射電磁波，另一巷接收；在介質中任意點的磁場表達式可表示為（1）：

式中：

H0—決定于發(fā)射功率和天線周圍介質的初始場強；

β—介質對電磁波能量的吸收系數；

r—觀測點到輻射源的直線距離；

sinθ —方向性因子，一般可認為等于1。因此（1）可簡化為（2）：

表1　SIRT反演吸收系數（CT）成像圖異常區(qū)特征分析

把坑透工作面劃分成有不同吸收系數的若干小單元（像元），每一小單元內可視為介質均勻的。根據多個發(fā)射點上所測場強值，利用SIRT 算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques，同時迭代重構技術），計算矩陣方程可以反演各像元吸收系數值，從而實現工作面成像區(qū)內吸收系統(tǒng)反演成像。

3 無線電波透視技術在大傾角薄煤層應用分析

近期在四川廣旺礦區(qū)，開展了大量的工作面無線電波透視探查，主要包括唐家河1111 工作面、趙家壩1942工作面煤層、代池壩3544工作面。由于煤層厚度、工作面布設、構造發(fā)育條件等差異，其探查效果具有一定的差異性。以下結合各個工作面透視結果，對無線電波透視效果進行分析。

3.1 唐家河煤礦1111工作面

1111工作面開采的1號煤層位于T3xj5-1近底部，該煤層常與其上覆的2號（四連子）煤層合并為一層，亦稱1～2號（正七連）煤層或統(tǒng)稱為1號煤層。1111采面內煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結構復雜，一般夾矸3～7層，煤層厚度1.8m～3.1m，平均厚度為2.4m，煤層厚度變化有東薄西厚的特點，產狀為180°～186°∠33°～48°。工作面現場布置圖及探測成果圖如圖1～圖2所示。

表2　反演吸收系數（CT）成像圖異常區(qū)特征分析

表3　探測解釋異常區(qū)特征分析

3.2 趙家壩煤礦1942工作面

1942工作面所采煤層為9號煤，煤層厚度在0.90m～1.30m，平均煤厚1.15m，夾矸1～2層，煤層厚度與煤層結構都較穩(wěn)定，煤層平均傾角43.5°，屬穩(wěn)定煤層。工作面現場布置圖及探測成果圖如圖3～圖4所示。

3.3 代池壩煤礦3544工作面

3544綜采工作面位于304采區(qū)＋320m～＋458m階段石門以東5#煤層中。上部3542工作面已回采完畢，西部的3543工作面未布置。3544綜采工作面范圍內煤層厚度穩(wěn)定、結構簡單，純煤厚平均為0.45m，屬較穩(wěn)定煤層。從3544運輸巷及回風巷揭露的5#煤層資料分析，煤層的傾角變化較小，在39°～41°。在3544回風巷掘進至5-19以東18m，遇到一褶曲Z2，該褶曲傾伏向為243°，傾伏角為55°；3544運輸巷掘進至5-19以東18m遇到一褶曲Z3，該褶曲傾伏向為194°，傾伏角為46°；根據分析Z2與Z3為同一褶曲，3544采煤工作面在回采至該構造區(qū)域，煤層頂板局部將會破碎，務必加強支護。探測成果圖如圖5～圖6所示。

結論

（1） 廣旺礦區(qū)探測實踐表明，無線電波透視成像對大傾角薄煤層工作面內異常的探查具有明顯效果，但是由于工作面不規(guī)則，不能從實測場強直接分析是否為異常，需進一步對吸收系數進行分析。因此，實際探查時需根據不同工作面地質條件及其特點進行數據采集、處理與分析，綜合運用多種物性參數，取得良好的探查預報效果。（2）上述探測工作采用的是YDT88礦用無線電波透視儀，可以大透視距特性的低頻工作。在以往無線電波透視儀的基礎上引進先進的數字通信調制、高速采樣、嵌入式系統(tǒng)等技術開發(fā)完成。無線電波透視儀器進一步的完善，確立了有效的電磁波場強及吸收系統(tǒng)異常判定標準，進一步提高透視距離及解釋精度。（3） 目前趙家壩煤礦1942綜采工作面切眼巷道已安全順利形成，成功預測預報了1942機巷掌子面處揭露的陷落柱構造導水區(qū)域的范圍。目前通過廣旺集團多個工作面的實踐與應用，證明針對性設計的無線電波透視儀在大傾角薄煤層不規(guī)則工作面可以有效穿透，接收到穩(wěn)定可靠的信號，預測預報工作面內的構造發(fā)育情況。

參考文獻

[1]張平松，劉盛東，程學豐.礦井地質安全保障體系中的實用探測技術[J].江蘇煤炭，2003（02）：10-11.

[2]吳榮新，劉盛東，肖玉林.工作面無線電波透視實測場強成像分析及應用[J].巖土力學，2010，31（S1）：435-440.

中圖分類號：TD823

文獻標識碼：A