龐龐塔礦回采面無(wú)線(xiàn)電波坑道透視探測(cè)的設(shè)計(jì)研究

王 斌

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

1 龐龐塔礦概況

霍州煤電集團(tuán)龐龐塔礦回采工作面的地表是以侵蝕性黃土梁峁為主，以黃土溝谷地貌中的沖溝為輔。工作面圈定面積是332 619 m2，煤礦井下北面是太佳高速保安煤柱，南面是四條集中下山，西邊是實(shí)體煤，東邊是實(shí)體煤。該面所采為5號(hào)煤層，煤厚6.1 m，煤層傾角28°；走向長(zhǎng)653.3 m，采長(zhǎng)235 m，面積為153 525 m2，基礎(chǔ)儲(chǔ)量1414 119 t，可采儲(chǔ)量1272 707 t。

2 龐龐塔礦工作面條件

2.1 地質(zhì)條件

該面所采5號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中部夾三層碳質(zhì)泥巖（0.3～0.7），分布在工作面的煤層厚度上下波動(dòng)較小。工作面的規(guī)劃圖中不可避免的經(jīng)過(guò)一條正斷層，其斷層落差為1.5 m，工作面未揭露構(gòu)造。

2.2 水文地質(zhì)條件

其工作面開(kāi)采煤層標(biāo)高為+510～+650 m，主要從頂板含水狀況、底板含水層狀況與砂巖裂隙水三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析與研究：

1）頂板含水狀況，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水組，主要由K3及多層砂巖層組成，巖性是細(xì)-粗粒砂巖，巖性與厚度均呈現(xiàn)較大的變化。在煤礦井田內(nèi)部，由于二疊系下統(tǒng)山西組沒(méi)有出露區(qū)域，并且砂巖穩(wěn)定性較差，因而富水性相對(duì)較弱[1]；

2）底板含水層狀況，太原組灰?guī)r巖溶含水層組單位涌水量為0.000 54～0.055 39 L/（s·m），其富水性較弱；奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組，由于二疊、石炭系含水層之間較厚的泥質(zhì)巖石與裂隙、巖溶不發(fā)育的砂巖、灰?guī)r，都可以看做是隔水層[2]；

3）對(duì)砂巖裂隙水、太灰水、奧灰水進(jìn)行全面分析，依據(jù)水文報(bào)告資料分析，這三點(diǎn)均呈現(xiàn)出弱富水性，對(duì)回采不會(huì)產(chǎn)生較大影響[3]。

3 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視探測(cè)工作原理

此次探測(cè)運(yùn)用WKT-E型無(wú)線(xiàn)電波坑道透視儀。龐龐塔礦工作面寬度大約是235 m，經(jīng)煤礦井下探測(cè)頻率實(shí)驗(yàn)，選取0.3 MHz頻率開(kāi)展工作面透視工作。無(wú)線(xiàn)電波坑道透視是用來(lái)探測(cè)順煤層兩個(gè)巷道之間的各個(gè)類(lèi)型地質(zhì)構(gòu)造異常體。在透視儀工作的時(shí)候，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)各自位于不相同的兩個(gè)巷道中，發(fā)射機(jī)發(fā)射固定頻率的電磁波，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀察、測(cè)量電磁波穿透煤層后剩余場(chǎng)強(qiáng)值[4]。

交替成層狀的含煤地層是一種非均勻介質(zhì)，電磁波在含煤地層中傳播可以分成垂直層理與平行層理兩個(gè)方向，在垂直層理方向其是非均勻介質(zhì)，在同一個(gè)煤層的一定范圍內(nèi)平行層理方向上可以近似地看作是均勻介質(zhì)。電磁波透視是在順煤層的兩個(gè)巷道或者兩個(gè)鉆孔中完成[5]。假設(shè)輻射源（天線(xiàn)軸）中點(diǎn)O是原點(diǎn)，在近似均勻、各個(gè)相同性質(zhì)的煤層中，觀測(cè)點(diǎn)P至O點(diǎn)之間的距離用r表示，P點(diǎn)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)度Hp由下式表示：

式中：H0為在一定的發(fā)射功率下天線(xiàn)周?chē)簩拥淖畛鯃?chǎng)強(qiáng)，A/m。β為煤層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；r為P點(diǎn)到O點(diǎn)的直線(xiàn)距離，m；f（θ）為方向性因子，θ是偶極子軸和觀測(cè)點(diǎn)方向之間的夾角，一般用f（θ）=sin（θ）來(lái)計(jì)算。

在輻射條件不跟隨時(shí)間變化的情況下，H0是一個(gè)常數(shù)，吸收系數(shù)β是一個(gè)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)幅值產(chǎn)生影響的主要參數(shù)，數(shù)值愈大，場(chǎng)強(qiáng)幅值變化就愈大。

礦井電磁波透視技術(shù)主要是依據(jù)電磁波在煤層中的傳播特點(diǎn)而研發(fā)的接收、發(fā)送電磁波的一種儀器與資料處理系統(tǒng)[6]。如若發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿過(guò)煤層的過(guò)程中，存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌以及富集水的采空區(qū)、沖刷、煤層產(chǎn)狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質(zhì)異常體時(shí)，接收到的電磁波能量便會(huì)極大地衰減，進(jìn)而會(huì)形成透視陰影，也就是所謂的異常區(qū)[8]。

4 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視探測(cè)過(guò)程

此次運(yùn)用的探測(cè)方法是定點(diǎn)法即一個(gè)對(duì)多個(gè)的方法：發(fā)射機(jī)處在相對(duì)固定的位置，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐個(gè)點(diǎn)觀察、測(cè)量其場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值[7]。在煤礦井回采工作面此次探測(cè)范圍長(zhǎng)度是800 m，布設(shè)29個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為10 m，其中布設(shè)的每個(gè)儀器的發(fā)射點(diǎn)之間的距離都是50 m，并且每個(gè)發(fā)射點(diǎn)都與11個(gè)接收點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，如圖1所示[12]。

圖1 定點(diǎn)發(fā)射示意圖

5 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視探測(cè)結(jié)果

資料處理時(shí)選取初始場(chǎng)強(qiáng)為H0=110，衰減系數(shù)B=-0.2。采用層析成像法，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，形成該工作面CT成果圖。圖像如圖2所示[9]。

結(jié)合上述圖像，反映出本次無(wú)線(xiàn)電波探測(cè)工作對(duì)工作面完成了很好的顯示，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖上畫(huà)圈的四處位置為本次探測(cè)較明顯的異常區(qū)域，將其稱(chēng)之為 A1、A2、A3、A4 異常區(qū)[10]。對(duì)四處異常進(jìn)行分析：

1）A1異常區(qū)影響范圍相對(duì)最大，異常范圍最大場(chǎng)強(qiáng)衰減為5～10 dB，推測(cè)異常范圍存在隱伏構(gòu)造；

2）A3異常區(qū)影響范圍較小，異常范圍較小，推測(cè)異常范圍內(nèi)部可能存在隱伏構(gòu)造；

3）A2異常區(qū)影響范圍小，異常范圍相對(duì)小，根據(jù)資料，推測(cè)該異常范圍可能存在隱伏構(gòu)造；

4）A4異常區(qū)影響范圍最小，異常范圍最大，根據(jù)資料推測(cè)該異常范圍可能存在隱伏構(gòu)造[11]。

圖2 工作面CT成果圖

6 結(jié)論

采用無(wú)線(xiàn)電波坑道透視探測(cè)的方法可以準(zhǔn)確判定未采區(qū)的地質(zhì)以及水文地質(zhì)情況，為該工作面的安全開(kāi)采提供了保障，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效安全開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。