近水平中厚煤層工作面地質(zhì)構(gòu)造分析

王樹亮

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）付村煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

1 煤礦概況

該次觀測的是云南省斯派爾煤礦13 號綜采工作面，該工作面的回風(fēng)巷長度為480 m，運(yùn)輸巷長度為490 m，工作面平均寬度為160 m。13 號綜采工作面中的煤層最大厚度為15 m，最小厚度為11 m，平均厚度為12 m，屬于較為穩(wěn)定的超厚煤層。該煤層中含有4 層夾矸，主要成分為泥巖、頁巖、砂土巖和黏土巖等。整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，開采難度相對較大。根據(jù)煤礦對該工作面的調(diào)查地質(zhì)資料顯示，煤礦的工作面井田中已經(jīng)出現(xiàn)陷落現(xiàn)象，繼續(xù)開采很有可能造成危險(xiǎn)。因此，為探明該工作面厚煤層的具體地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)當(dāng)利用現(xiàn)代探測技術(shù)對該煤層進(jìn)行探測，以查明內(nèi)部的隱伏地質(zhì)構(gòu)造，為后期的開采提供參考，提升開采的安全性，防止發(fā)生事故。

2 探測厚煤層地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)

2.1 坑道透視技術(shù)

坑道透視技術(shù)是一種利用無線電波對煤礦坑道內(nèi)進(jìn)行分析的方式，通過向煤層中發(fā)射電磁波，并分析電磁波在煤層中的傳播規(guī)律，可以明晰煤層中的地質(zhì)構(gòu)造。由于煤層中不同巖層和礦石的電阻率不同，當(dāng)電磁波在巖層中傳播時(shí)，不同的巖層對電磁波的吸收和反射效果也不相同。

2.2 電磁波輻射場

在進(jìn)行坑道透視的過程中，如果采取將發(fā)射裝置和接收裝置放置于同一煤層中時(shí)，則可以分析電磁場在均勻介質(zhì)中的傳播，相對較為簡單。電磁波在均勻介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射場的計(jì)算方式為：

H0是電磁波發(fā)射裝置的初始場強(qiáng)；β 為煤層中的介質(zhì)對電磁波的吸收系數(shù)；γ 為待觀測的點(diǎn)到電磁波發(fā)射裝置的直線距離。

3 厚煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀測

3.1 觀測作業(yè)準(zhǔn)備工作

開始觀測作業(yè)時(shí)，首先應(yīng)將厚煤層所在的工作面中的各種機(jī)械設(shè)備、電纜和金屬工具等能夠?qū)﹄姶挪▊鞑ギa(chǎn)生影響的物體移出工作面，然后根據(jù)以往對該工作面厚煤層中探測得到的地質(zhì)資料，確定采用坑道透視技術(shù)的觀測點(diǎn)，并在工作面上進(jìn)行布置，隨后制定觀測作業(yè)的基本程序。

3.2 觀測方式

采用坑道透視技術(shù)需要預(yù)先在工作面上布置觀測點(diǎn)，即發(fā)射電磁波的儀器安裝的點(diǎn)，通常采用2 種方式。

3.2.1 同步發(fā)射法

該方式是將發(fā)射裝置和接受裝置安裝在不同的巷道中，當(dāng)一個(gè)位置檢測完畢后，將發(fā)射裝置和接收裝置沿一個(gè)方向移動(dòng)相同的距離，成為同步法。但這種方式需要頻繁移動(dòng)儀器，會(huì)浪費(fèi)大量的工作時(shí)間，不常采用。

3.2.2 定點(diǎn)觀測法

定點(diǎn)觀測法是指電磁波發(fā)射裝置固定，接收裝置在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，測量不同位置的電磁波場強(qiáng)。此方式相比于同步法，只需要移動(dòng)接收裝置，效率相對更高[1]。因此該文采用此方式進(jìn)行觀測。

3.3 布置發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)

發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)布置在2 條巷道中，其中第一個(gè)點(diǎn)位0號點(diǎn)，每隔10 m 布置一個(gè)點(diǎn)位，直至布置完畢，如圖1 所示。其中發(fā)射點(diǎn)之間的距離應(yīng)當(dāng)間隔40 m～80 m，而接收點(diǎn)則每隔10 m 布置一個(gè)。采用這種布置方式的一個(gè)發(fā)射點(diǎn)可以對應(yīng)近20 個(gè)接收點(diǎn)。

圖1 發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)布置示意圖

3.4 儀器設(shè)備選型

該次進(jìn)行坑道透視觀測所使用的儀器設(shè)備為中煤科工集團(tuán)重慶研究院產(chǎn)品，型號為WKT-E，發(fā)射頻率為0.3 MHz。

3.5 實(shí)際觀測

在定位觀測點(diǎn)和選定儀器設(shè)備后，將儀器設(shè)備安裝到指定的位置，并開始進(jìn)行觀測，同時(shí)收集儀器得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行基本的資料處理后對其進(jìn)行解釋，以分析煤層中的地質(zhì)構(gòu)造。

4 數(shù)據(jù)處理和分析

處理儀器發(fā)送的電磁波數(shù)據(jù)資料的2 種常見方法為實(shí)際場強(qiáng)對比法和CT 層析成像法。

4.1 實(shí)際場強(qiáng)對比法

該方式是將觀測點(diǎn)的實(shí)際場強(qiáng)H 和理論場強(qiáng)H0進(jìn)行比對，得到衰減值H-H0，該數(shù)值越大，說明觀測點(diǎn)所在的地區(qū)煤層越少，而巖層越多。結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行對比，即可分析觀測點(diǎn)所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)。

4.2 CT層析成像法

首先將儀器收集的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)中，并利用專業(yè)軟件對剔除數(shù)據(jù)中的干擾值和無效值，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以便后期的分析。在濾波完成后，通過多項(xiàng)式擬合和線性迭代擬合的方式求參，得到相應(yīng)的結(jié)果。

4.3 數(shù)據(jù)解析

該文中采用CT 層析成像法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到較為直觀的成像圖，根據(jù)成像圖可以確定觀測的煤層中存在2 個(gè)異常區(qū)域，即圖中的白色部分，這部分也是電磁波無法返回而在接受儀器上顯示的陰影部分。可以確定的是觀測的厚煤層在這2個(gè)區(qū)域中存在不連續(xù)的缺陷，但僅憑這一結(jié)果無法斷定缺陷的具體特征，因?yàn)槊簩又写嬖诘母咦柚档膸r層可以吸收電磁波，但如果煤層中存在突變的薄層，電磁波可能穿透薄層，因此返回的也相對較少。

為進(jìn)一步得知2 個(gè)缺陷區(qū)域的異常情況，采取實(shí)際場強(qiáng)對比法，對全區(qū)域的場強(qiáng)隨距離的變化趨勢進(jìn)行了分析，得到的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 13 號綜采工作面各區(qū)域場強(qiáng)隨距離變化示意圖

通過結(jié)合CT 層析成像法圖和圖1 進(jìn)行分析，可以得知1號缺陷區(qū)域?qū)儆诳拷\(yùn)輸巷的區(qū)域，從場強(qiáng)分布曲線上看，這一區(qū)域的場強(qiáng)存在一個(gè)非常顯著的低值，因此斷定該區(qū)域可能為隱伏的地質(zhì)異常部位，存在大量的砂巖、頁巖等電阻值較高的巖層，對電磁波有較強(qiáng)的吸收能力。

2 號異常區(qū)同樣靠近運(yùn)輸巷，但同1 號異常區(qū)不同的是，2號異常區(qū)中場強(qiáng)減弱的幅度并不明顯，因此電磁波被電阻值較高的巖層吸收的概率較低，推測為電磁波在此處穿過使得接收儀器難以接收，因此可能為煤層變薄的地帶。

4.4 數(shù)據(jù)解析的局限性

雖然該文中的分析可以基本上判斷厚煤層中的地質(zhì)構(gòu)造形式，但實(shí)際測量過程中由于干擾因素較多，加上技術(shù)的限制，因此使用數(shù)據(jù)進(jìn)行解析存在一定的局限性。

4.4.1 定量解析的局限性

坑道透視探測法對異常區(qū)域的探測采用的是背景照射的方式，即將整個(gè)工作面作為正常的背景區(qū)來判斷異常區(qū)域。但在實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)造中，地層發(fā)生變化往往并非突變，而是循序漸進(jìn)的變化，例如煤層到巖層的變化過程為煤層較多→煤層和巖層混雜→巖層較多。當(dāng)存在這種落差漸變時(shí)，采用坑道透視法得到的成像和數(shù)值將不會(huì)非常明顯，判定的結(jié)果的范圍通常比實(shí)際值更小。

4.4.2 煤層產(chǎn)狀的影響

坑道透視法采用的是將電磁波透過煤層來判斷煤層中的地質(zhì)構(gòu)造，但當(dāng)工作面中存在褶皺發(fā)育區(qū)，使得煤層的產(chǎn)狀發(fā)生較大的變化時(shí)，電磁波在傳播的過程中可能會(huì)被和煤層差異較大頂?shù)装遄钃醵霈F(xiàn)衰減甚至是完全沒有信號，而這種現(xiàn)象體現(xiàn)在儀器上很容易造成誤判，認(rèn)為該區(qū)域中存在巖層，如圖3 所示。

圖3 電磁波在煤層褶皺區(qū)中傳播示意圖

4.4.3 異常規(guī)模的限制

坑道透視法對煤層中的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析，只有當(dāng)構(gòu)造存在到一定的規(guī)模時(shí)，才會(huì)被明顯探測到。一般而言，使用坑道透視技術(shù)要求的煤層構(gòu)造的發(fā)育程度為：煤層變薄的地帶：薄煤層的厚度應(yīng)當(dāng)小于正常厚度的1/2；陷落柱：陷落柱的長軸直徑應(yīng)當(dāng)大于15 m。但實(shí)際的煤層地質(zhì)構(gòu)造中，即便是低于上述發(fā)育程度的缺陷也可能對開采造成影響，但使用坑道透視法無法察覺。

5 結(jié)論

該文對厚煤層工作面地質(zhì)構(gòu)造的探測和分析方式進(jìn)行了研究，采用坑道透視法，對云南省斯派爾煤礦第13 號綜采工作面中的厚煤層進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，該煤層中存在兩處地質(zhì)缺陷，一處判定為巖層，一處判定為薄煤層。該文對坑道透視法的局限性進(jìn)行進(jìn)行了闡述，在實(shí)際的分析過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他的技術(shù)手段，確保探測結(jié)果更加準(zhǔn)確。