淺談無線電磁波坑透技術(shù)在復(fù)雜礦井中的應(yīng)用

趙昕

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淺談無線電磁波坑透技術(shù)在復(fù)雜礦井中的應(yīng)用

趙昕

（山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司，山西 長治 046500）

山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司地質(zhì)構(gòu)造條件為中等—復(fù)雜，尤以斷層和陷落柱較為發(fā)育。通過介紹坑透技術(shù)的基本原理和在金暉隆泰礦9101工作面實(shí)際探測(cè)情況，表明坑透技術(shù)是一種探測(cè)工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)異常體的有效方法，最終證明坑透法可以應(yīng)用在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井中。

坑透技術(shù)；地質(zhì)條件；復(fù)雜礦井；9101工作面

煤炭作為當(dāng)今世界主要能源之一，素有“工業(yè)糧食”之稱，在目前的不可再生能源的消費(fèi)和生產(chǎn)中占具主導(dǎo)地位。而隨著煤炭被不斷開發(fā)和利用，在生產(chǎn)過程中會(huì)經(jīng)常遇到各種障礙和困難，其中探明礦井的地質(zhì)構(gòu)造，保證安全生產(chǎn)成為了最基本的前提。目前世界各國主要采用礦井鉆探、物探和巷探三種技術(shù)手段來探測(cè)礦井地質(zhì)構(gòu)造。其中，礦井物探因其快速、經(jīng)濟(jì)和直觀的特點(diǎn)受到了普遍的重視。而無線電磁波坑透技術(shù)（以下簡稱“坑透”）自20世紀(jì)70年代引入以來，已被推廣到全國各大煤礦中，并取得了頗為不錯(cuò)的成果，是一種技術(shù)發(fā)展非常成熟的物探手段。因坑透技術(shù)具有資料采集方便快捷、儀器簡單輕巧、操作簡易、見效快等優(yōu)點(diǎn)，為目前國內(nèi)外工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造探查最普遍采用的物探手段。

本文以金暉隆泰礦9101工作面為例，該礦采用坑透技術(shù)對(duì)9101工作面內(nèi)部的各種地質(zhì)異常體分布和發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)坑透結(jié)果分析工作面內(nèi)各種構(gòu)造發(fā)育情況，進(jìn)一步指導(dǎo)9101工作面的安全生產(chǎn)，最終證明坑透技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井中能夠起到較好的效果。

1 礦井地質(zhì)概況

山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司位于山西省沁源縣王和鎮(zhèn)坡底村，設(shè)計(jì)能力90萬噸/年，井田面積7.666 3 km2。地質(zhì)構(gòu)造條件中等—復(fù)雜，尤以斷層陷落柱較為發(fā)育。礦井現(xiàn)主采太原組的9+10號(hào)煤層，煤層厚度為1.15～3.90 m，平均厚度為2.67 m，為全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，老頂為K2上石灰?guī)r，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為細(xì)粒砂巖，偶見炭質(zhì)泥巖。

2 坑透基本理論

2.1 坑透技術(shù)原理

坑透技術(shù)是通過研究高頻電磁波在巖、礦石中的傳播規(guī)律，進(jìn)而查明地下構(gòu)造形態(tài)的一種物探方法。由于地下各種巖、礦石電磁參數(shù)（電阻率和介電常數(shù)）與頻散特性等不同，所以電磁波在其中傳播時(shí)，巖層對(duì)電磁波能量會(huì)有不同程度的吸收，電阻率較低的巖層對(duì)電磁波的吸收作用較強(qiáng)。因此，在井下探測(cè)過程中，當(dāng)電磁波前進(jìn)方向上遇到因地質(zhì)構(gòu)造存在而造成的煤層不延續(xù)所形成的斷裂界面時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量的損耗。因此在工作面探測(cè)時(shí)，如果發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波能量被吸收甚至完全屏蔽，同時(shí)接收機(jī)接收到的信號(hào)顯著減弱或者完全接收不到信號(hào)而形成陰影時(shí)，即表明電磁波在穿過煤層途中遇到地質(zhì)異常體（斷層、陷落柱、含水裂隙、煤層變薄區(qū)或其他構(gòu)造等），形成了透視異常區(qū)，該區(qū)域即為所要探測(cè)異常體的位置和范圍，如圖1所示。而坑透技術(shù)便是通過研究礦井內(nèi)各種地質(zhì)構(gòu)造、煤層變化和地質(zhì)異常體等對(duì)電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷和解釋。

圖1 電磁波透視法工作原理圖

2.2 坑透技術(shù)的地質(zhì)地球物理基礎(chǔ)

2.2.1 巖礦石電磁參數(shù)與頻散特性

電阻率是決定電磁波在井下吸收介質(zhì)中傳播特性的主要參數(shù)。介電常數(shù)僅在高頻和高阻地層中才明顯對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，電介質(zhì)的介電常數(shù)是指電容器極板間充滿電介質(zhì)時(shí)，電容增大的倍數(shù)，是表征介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下極化程度的物理量。頻散現(xiàn)象指巖、礦石的電磁參數(shù)隨頻率的變化而發(fā)生改變。

巖礦石由多種物質(zhì)成分組成，在交變電磁場(chǎng)作用下，介質(zhì)的不同組合對(duì)交變電場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)一定的阻抗，因此有效電導(dǎo)率和有效介電常數(shù)必然隨頻率不同而變化。

2.2.2 坑透法基本公式

在均勻介質(zhì)中，電磁波輻射場(chǎng)強(qiáng)用下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：為均勻介質(zhì)中某點(diǎn)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值；0為根據(jù)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率和天線周圍介質(zhì)所決定的初始場(chǎng)強(qiáng)值；為介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；為觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的直線距離。

在進(jìn)行坑透工作時(shí)，要根據(jù)工作面需要透視的距離選擇合適的工作頻率。當(dāng)進(jìn)行大距離透視時(shí)，應(yīng)使用較低的工作頻率，而透視距離較短時(shí)，則采用高頻率進(jìn)行探測(cè)，可以提高分辨能力。

3 CT層析成像技術(shù)

本次坑透采用CT層析成像技術(shù)進(jìn)行處理。它的基本原理是：首先將需要探測(cè)的區(qū)域按照規(guī)律劃分成一定長寬的數(shù)字網(wǎng)格，不同發(fā)射點(diǎn)的電磁波射線在穿過網(wǎng)格時(shí)會(huì)產(chǎn)生同一類型的衰減，然后計(jì)算得出該網(wǎng)格的數(shù)值。通過分析網(wǎng)格中的數(shù)值，就可確定煤層中異常的區(qū)域。該技術(shù)能夠充分利用電磁波在介質(zhì)傳播過程中的信息，大大提高資料解釋的精確度和可信度，增強(qiáng)了異常區(qū)的識(shí)別能力。根據(jù)已有探測(cè)判斷，條帶狀的異常表現(xiàn)通常為斷層構(gòu)造，圓形或橢圓形異常表現(xiàn)往往為陷落柱發(fā)育。

4 9101工作面坑透實(shí)例分析

4.1 工作面概況

9101工作面位于金暉隆泰煤礦先期開采地段東南部，主采9+10號(hào)煤層。井下位置：西起三條大巷，北部、南部為未開采地段，東至礦井邊界。工作面走向長480 m，傾向長120 m，煤層平均厚度2.67 m，上分層0.8 m，下分層1.7 m，夾矸厚0.05～0.2 m。煤層傾角為4°～15°，平均7°。9+10號(hào)煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，老頂為K2上石灰?guī)r，直接底為砂質(zhì)泥巖或泥巖，工作面掘進(jìn)過程中共揭露4條斷層，落差為0.5～2.2 m不等，陷落柱2個(gè)。

4.2 工作方法

在9101工作面透視工作進(jìn)行前，首先對(duì)工作面內(nèi)所有通電設(shè)備進(jìn)行斷電，并調(diào)查清楚工作面兩順槽錨網(wǎng)鎖等金屬支護(hù)材料、金屬管道、軌道等主要干擾因素的分布情況，以便在工作時(shí)能采取相應(yīng)措施，減少二次干擾。同時(shí)要了解已 揭露的地質(zhì)構(gòu)造等資料。

在此基礎(chǔ)上，確定最終的觀測(cè)方法，布置工作量，制訂9101工作面坑透的工作程序和時(shí)間順序表。

觀測(cè)方式采用定點(diǎn)法，即在工作面的一條巷道中將發(fā)射機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定，而另一條巷道中接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值，又稱定點(diǎn)交匯法，如圖2所示。定點(diǎn)法觀測(cè)具有速度快捷、效率高效和易于協(xié)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

9101工作面無線電磁波透視工作，選定膠帶順槽進(jìn)巷拐點(diǎn)位置處為“0”號(hào)點(diǎn)，在回風(fēng)順槽對(duì)應(yīng)位置開始布置起點(diǎn)，兩順槽內(nèi)以10米點(diǎn)距向靠近切眼方向布置42個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)巷道設(shè)計(jì)發(fā)射點(diǎn)9個(gè)，總計(jì)發(fā)射點(diǎn)累計(jì)18個(gè)，接收數(shù)據(jù)點(diǎn)累計(jì)250個(gè)。

圖2 定點(diǎn)觀測(cè)方式示意圖

4.3 實(shí)測(cè)資料整理與解釋

4.3.1 初始場(chǎng)強(qiáng)與吸收系數(shù)的確定

在對(duì)9101工作面無線電波透視資料進(jìn)行解釋前，首先要先確定電磁波的初始發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)0和工作面煤層衰減系數(shù).根據(jù)9101工作面無線電磁波發(fā)射點(diǎn)綜合曲線圖和分析結(jié)果，結(jié)合兩順槽實(shí)際情況和所采用儀器的實(shí)際發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)范圍與9101工作面煤層的電磁參數(shù)特征，最終確定9101工作面初始發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)0為149 db，煤層吸收系數(shù)為0.31.

4.3.2 層析成像圖資料解釋

9101工作面無線電磁波透視層析成像如圖3所示。

通過已知構(gòu)造揭露情況，對(duì)比成果圖中異常分析可以看出：①圖3中膠帶順槽Xt1異常區(qū)與實(shí)際揭露位置2～4號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，推斷為陷落柱構(gòu)造的影響；②Xt3異常區(qū)與實(shí)際揭露位置12～15號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，推斷為陷落柱構(gòu)造的影響；③Ft3異常區(qū)為膠帶順槽38～39號(hào)點(diǎn)位置斷層影響，F(xiàn)t4異常區(qū)為膠帶順槽41號(hào)點(diǎn)和回風(fēng)順槽37號(hào)點(diǎn)斷層影響。④膠帶順槽22～24號(hào)點(diǎn)位置揭露的斷層落差為0.5 m和0.7 m，在圖上無明顯異常反應(yīng)。Xt1、Xt3、Ft3、Ft4異常區(qū)與實(shí)際揭露的構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，為隱伏構(gòu)造的判定提供參考依據(jù)。Ft1、Ft2和Xt2異常區(qū)推斷為隱伏構(gòu)造。Ft1、Ft2、Ft4異常呈條帶分布，推斷可能為斷層構(gòu)造影響，Xt2異常區(qū)呈圈閉狀分布，推斷可能為陷落柱構(gòu)造影響。

4.3.3 坑透結(jié)果

根據(jù)圖3，結(jié)合已有地質(zhì)資料與工作面兩順槽實(shí)際揭露情況，其工作面成果平面如圖4所示。結(jié)論如下：①Xt1、Xt3、Ft3、Ft4異常區(qū)與實(shí)際揭露的構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，為隱伏構(gòu)造的判定提供參考依據(jù)。綜合分析推斷Xt1陷落柱長軸長35 m，短軸長11 m，為較可靠陷落柱；Xt3陷落柱長軸長25 m，短軸長16 m，為揭露較可靠陷落柱；Ft3斷層為揭露較可靠斷層，落差=0.8 m；Ft4斷層為揭露較可靠斷層，落差=2.2 m。②Ft1、Ft2、Xt2異常區(qū)為推斷隱伏構(gòu)造。Ft1、Ft2異常區(qū)呈條帶分布，推斷為斷層構(gòu)造。其中，F(xiàn)t1斷層落差=1.0 m；Ft2斷層落差=1.2 m。Xt2異常區(qū)呈圈閉狀分布，推斷為較可靠陷落柱，Xt2陷落柱長軸19 m，短軸長14 m。③Ft1、Ft2和Ft4異常區(qū)反映較明顯，異常范圍相對(duì)較大，對(duì)工作面回采有一定的影響。

圖3 9101工作面無線電磁波透視層析成像圖

圖4 9101工作面推斷解釋成果平面

5 結(jié)束語

本文介紹了在復(fù)雜地質(zhì)條件下，隆泰礦采用坑透技術(shù)對(duì)9101工作面進(jìn)行探測(cè)，不僅探清了工作面兩順槽已揭露構(gòu)造的發(fā)展情況，同時(shí)探明工作面內(nèi)的隱伏構(gòu)造，為礦上能夠提前采取措施，保證工作面安全生產(chǎn)提供地質(zhì)基礎(chǔ)資料，最終證明坑透法在可以應(yīng)用在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井中，且具有較好效果。

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2095－6835（2019）02－0148－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.148

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕