無線電波透視技術(shù)在礦井工作面構(gòu)造探測中的應(yīng)用

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【摘 要】電磁波在煤層中傳播遇到地質(zhì)異常體時(shí)，電磁波被差異吸收而造成接收?qǐng)鰪?qiáng)變化來發(fā)現(xiàn)并分析地質(zhì)異常體分布范圍和類型的，無線電波透視技術(shù)在礦井工作面內(nèi)部構(gòu)造探測中是一種有效的探查技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】無線電波；坑透；工作面；構(gòu)造

煤礦生產(chǎn)中的各種地質(zhì)異常體，主要包括斷層、褶曲、陷落柱、煤層厚度變化等，在礦井工作面回采過程中，各種地質(zhì)異常體嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，查明地質(zhì)異常體的性質(zhì)及影響范圍等對(duì)煤礦的高效安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。應(yīng)用無線電波透視技術(shù)可以定性到半定量地探查、分析礦井工作面內(nèi)部的各種構(gòu)造。

1.探測原理

無線電波透視法（簡稱坑透法）是一種地下電磁波法（或稱交流電法）。電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性（電阻率ρ、介電常數(shù)ε等）不同，它們對(duì)電磁波能量的吸收有一定差異，電阻率低的巖、礦石具有較大的吸收作用。另外，伴隨斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面，能對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射等作用，也會(huì)使電磁波能量衰減和損耗。如果在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，電磁波在傳播途徑中，存在有對(duì)電磁波有較大吸收作用的地質(zhì)體，如礦體、水體、地質(zhì)構(gòu)造等，就會(huì)使接收到的電磁波能量顯著減弱，形成透視異常（或稱為“陰影區(qū)”），變換發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的位置，測得同一異常的“陰影區(qū)”，這些“陰影區(qū)”交匯的地方，就是異常的位置。研究礦體、各種巖石及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)電磁波傳播影響（包括吸收、反射、二次輻射等作用）所造成的各種異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋。一般情況下，煤層電阻率與煤層頂?shù)装逯g電性差異越大，異常反映越明顯，電磁波CT成像探測效果會(huì)越好。

從地層電性分析，巖層的電性一般變化規(guī)律是從泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖、煤層、砂巖到灰?guī)r，電阻率值逐漸增高，即煤層相對(duì)其頂、底板為一相對(duì)高阻電性層。電磁波在煤層中傳播遇到地質(zhì)異常體時(shí)，電磁波被差異吸收而造成接收?qǐng)鰪?qiáng)變化來發(fā)現(xiàn)并分析地質(zhì)異常體分布范圍和類型的。電磁波在地下巖石中傳播時(shí)，各種巖、礦石電性（電阻率和介電常數(shù)）的不同，當(dāng)構(gòu)造發(fā)育，一方面出現(xiàn)層位錯(cuò)動(dòng)，局部裂隙發(fā)育，對(duì)電磁波的吸收增強(qiáng)，使接收的電磁波發(fā)生變化。這種電磁特征為無線電波透視探測技術(shù)的提供了良好的物性前提。

由于采煤工作面的巷道通常布置在煤層中這一煤礦技術(shù)條件，如果在透視時(shí)，使發(fā)射機(jī)與接收機(jī)處在同一煤層中，可利用均勻各項(xiàng)同性介質(zhì)中應(yīng)用較為簡單的公式進(jìn)行計(jì)算和解釋。電磁波在均勻介質(zhì)中輻射場表達(dá)式如下：

（1）

式（1）中：Ho-決定于發(fā)射功率和天線周圍介質(zhì)的初始場強(qiáng)；

-介質(zhì)對(duì)電磁波能量的吸收系數(shù)；

-觀測點(diǎn)到輻射源的直線距離。

2.資料處理方法

坑道無線電波透視資料的整理是將在坑下記錄的實(shí)測場強(qiáng)H，通過電磁場強(qiáng)公式進(jìn)行人工或計(jì)算機(jī)運(yùn)算，求出初始場強(qiáng)H0，進(jìn)而繪制所需的圖件，為資料的解釋提供依據(jù)。

坑道無線電波透視法資料解釋的目的是根據(jù)探測工作面的地質(zhì)、地球物理及透視區(qū)段的電磁參數(shù)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)并預(yù)測有意義的異常，進(jìn)而達(dá)到探測的目的。主要的解釋方法有場強(qiáng)對(duì)比法、平面交會(huì)法、實(shí)測場強(qiáng)法和計(jì)算機(jī)層析成像法。場強(qiáng)對(duì)比法是坑透法中最基本、最主要的解釋方法，而計(jì)算機(jī)層析成像法（CT）則是80年代來發(fā)展起來的新方法。

坑道無線電波透視的層析成像根據(jù)衰減系數(shù)分為兩大類。通過測量場強(qiáng)值計(jì)算出被測區(qū)域內(nèi)的衰減系數(shù)，這樣取得的二維成像圖稱作絕對(duì)衰減層析成像。若設(shè)正常地段的衰減系數(shù)等于某一常數(shù)，則用這個(gè)常數(shù)與被測區(qū)域內(nèi)衰減系數(shù)相減得到的成像圖稱為相對(duì)衰減層析成像圖。這里可以用代數(shù)重建算法ART，聯(lián)合迭代算法SIRT和反投影算法BPT來求解線性方程組，求出絕對(duì)衰減和相對(duì)衰減系數(shù)的分布。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的演算處理，最后由繪圖子系統(tǒng)繪制坑透工作面視吸收率等值線圖、色塊圖、立體圖、灰度圖和平面交會(huì)圖等。本次使用代數(shù)重建算法進(jìn)行計(jì)算，利用儀器生產(chǎn)方提供的解釋軟件繪制了色塊圖。

3.資料解釋

數(shù)據(jù)的解釋遵循與其它電法相同的規(guī)律與程序，即結(jié)合已知的地質(zhì)、鉆探和水文等資料，從已知到未知，從點(diǎn)到線，從線到面，從簡單到復(fù)雜，去偽存真，由表及里的原則進(jìn)行分析推斷。

3.1 異常劃分方法

無線電波透視成果圖是原始觀測值通過相對(duì)衰減算法進(jìn)行層析成像處理而來，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)，可把數(shù)據(jù)分成< 、、 、> 5個(gè)級(jí)別，并可設(shè)定為異常閥值（其中 為參數(shù)算術(shù)平均值， 為參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值）。對(duì)于 的區(qū)域定義為異常區(qū)。

3.2 異常解釋方法

以人工解釋為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)為工具，由粗到細(xì)逐步進(jìn)行。人工解釋通過對(duì)主干剖面的解釋，勾繪地層總體賦存形態(tài)以及構(gòu)造格局，為后期人機(jī)聯(lián)作精細(xì)解釋打下基礎(chǔ)；而人機(jī)操作交互解釋系統(tǒng)對(duì)于電磁法數(shù)據(jù)的解釋具有特殊的優(yōu)越性，是精細(xì)解釋必不可少的工具。它能充分地利用人機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行精細(xì)解釋，具有保持追蹤功能，從而大大提高對(duì)各種地質(zhì)現(xiàn)象的分辨率。物探異常具有相對(duì)性與多解性，需要結(jié)合已知的地質(zhì)信息，按從已知到未知，從點(diǎn)到線，由線到面，由淺入深的原則進(jìn)行綜合分析，以提高成果的可靠性和精度。

4.木擔(dān)壩煤礦10123工作面坑透實(shí)例分析

4.1 工作面概況

木擔(dān)壩煤礦位于貴州省習(xí)水縣，施工地點(diǎn)位于10123工作面，回風(fēng)巷長度971m，運(yùn)輸巷長度958m，工作面傾向長度140m。煤層厚度1.0～2.4m，平均煤厚1.9m，煤層傾角5°～15°。煤層直接頂為泥巖，平均厚度約4.6m，老頂為粉砂巖，平均厚度約8.9m。煤層直接底為灰色泥巖，平均厚度約0.5m，老底為鋁土質(zhì)粘土巖，平均厚度約3m。該工作面在運(yùn)輸巷掘進(jìn)里程102.5m處遇f18斷層，在回風(fēng)巷掘進(jìn)里程189m處遇f18斷層，在975m處遇f20斷層，在667m處揭露一直徑為19.6m的陷落柱。

4.2 測點(diǎn)布置與施工

本次施工使用的儀器為WKT-7型坑道無線電波透視儀，無線電波透視探測控制區(qū)域?yàn)?0123工作面掌子面向巷口方向610m區(qū)段。10123工作面回風(fēng)巷物探測點(diǎn)以B10導(dǎo)線點(diǎn)向切眼方向27.4m為起點(diǎn)，編號(hào)為0號(hào)。以0號(hào)為起點(diǎn)，向切眼方向每10m為1個(gè)點(diǎn)號(hào)依次編號(hào)，共編62個(gè)測點(diǎn)；運(yùn)輸巷物探測點(diǎn)以B12導(dǎo)線點(diǎn)向巷道外側(cè)方向44.4m為起點(diǎn)，編號(hào)為0號(hào)。以0號(hào)為起點(diǎn)，向切眼方向每10m為1個(gè)點(diǎn)號(hào)依次編號(hào)，共編62個(gè)測點(diǎn)。兩順槽共編124個(gè)測點(diǎn)。

無線電波坑透探測采用定點(diǎn)發(fā)射，在對(duì)應(yīng)巷道扇形接收的施工方式，無線電波透視采用40m一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在對(duì)面巷道10m接收，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)接收7～11點(diǎn)。兩順槽共布置32個(gè)發(fā)射點(diǎn)。每個(gè)接收點(diǎn)至少有7次以上的覆蓋。

4.3 無線電波透視成果

本次采用無線電波透視相對(duì)衰減層析成像技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，相對(duì)衰減層析成像是用相對(duì)衰減算法進(jìn)行層析處理，以電磁波場強(qiáng)衰減系數(shù)在工作面中的相對(duì)分布進(jìn)行異常圖像的重建。無線電波透視探測，共發(fā)現(xiàn)4處明顯的相對(duì)衰減較強(qiáng)異常區(qū)，分別編號(hào)為1號(hào)異常、2號(hào)異常、3號(hào)異常和4號(hào)異常區(qū)。

根據(jù)無線電波透視成果并結(jié)合已知地質(zhì)資料對(duì)4處異常區(qū)段進(jìn)行綜合推斷，1號(hào)異常區(qū)，10123工作面在運(yùn)輸巷8～9號(hào)測點(diǎn)附近遇f18斷層，在回風(fēng)巷16號(hào)測點(diǎn)附近遇f18斷層，其中f18斷層在工作面內(nèi)延展，推斷該處異常區(qū)為f18斷層影響所致。2號(hào)異常區(qū)，該異常在運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)未揭露地質(zhì)構(gòu)造，推斷該異常區(qū)為隱伏地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。3號(hào)異常區(qū)，該異常在運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)未揭露地質(zhì)構(gòu)造，推斷該異常區(qū)為隱伏地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。4號(hào)異常區(qū)，該異常區(qū)附近采掘過程中揭露陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，推斷該異常區(qū)為陷落柱等構(gòu)造引起的地質(zhì)異常區(qū)。

經(jīng)過回采過程中實(shí)際揭露驗(yàn)證，4個(gè)異常區(qū)均得到了驗(yàn)證，驗(yàn)證情況與探測推斷基本吻合，無線電波透視效果良好，無線電波透視成果圖見圖1。

5.結(jié)論

（1）無線電波透視技術(shù)是探查采煤工作面煤層中斷裂構(gòu)造、陷落柱等構(gòu)造發(fā)育、展布等狀況有效的礦井物探技術(shù)。通過回采前預(yù)先探測，對(duì)異常部位采取預(yù)防措施，為礦井安全生產(chǎn)可有效提供保障。

（2）無線電波透視技術(shù)探測時(shí)，金屬支架、接地鐵軌、電纜及其他金屬導(dǎo)體等可能造成干擾，探測時(shí)須采取相應(yīng)的抗干擾措施。

（3）對(duì)無線電波透視成果解釋時(shí)，要結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)情況進(jìn)行具體分析，解釋成果才能更準(zhǔn)確。

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