無線電波透視技術(shù)在回采工作面地質(zhì)異常體探測(cè)中的應(yīng)用

趙 毅

(晉能集團(tuán)有限公司晉城分公司,山西 晉城 048000)

煤礦回采工作面常因未能提前探明陷落柱、斷層、沖刷帶等地質(zhì)異常體而導(dǎo)致生產(chǎn)銜接失衡,影響開采效率[1]。隨著煤炭產(chǎn)業(yè)“減、優(yōu)、綠”轉(zhuǎn)型升級(jí),回采工作面開采透明化、智能化的需求日益強(qiáng)烈,對(duì)回采工作面精細(xì)化探測(cè)提出了更高的要求。無線電波透視技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)效益高、多頻率可選、透視距離大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為使用最為廣泛的探查回采工作面地質(zhì)異常體的技術(shù)手段[2-5]。

本文以晉能集團(tuán)某礦9102回采工作面為研究對(duì)象,應(yīng)用YDT88無線電波透視儀對(duì)其內(nèi)部地質(zhì)異常體發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè),結(jié)合場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)CT圖和實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線對(duì)異常區(qū)做出地質(zhì)解釋,為礦井生產(chǎn)提供準(zhǔn)確地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),確保工作面安全高效開采。

1 無線電波透視技術(shù)原理

電磁波在地下巖層中傳播時(shí),由于巖層電性不同,它們對(duì)電磁波能量的吸收有一定差異,電阻率低的巖層具有較大的吸收作用。另外,地質(zhì)異常體的界面會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射等作用,致使電磁波能量衰減和損耗。因此,如果電磁波在穿越煤層的途徑中遇到與煤層電性不同的陷落柱、斷層等地質(zhì)異常體,電磁波能量就會(huì)被其吸收或完全屏蔽,信號(hào)顯著減弱,形成透視異常。通過對(duì)透視異常情況進(jìn)行分析,即可獲得地質(zhì)異常體發(fā)育特征[6]。

無線電波透視技術(shù)采用偶極子天線發(fā)射,假設(shè)發(fā)射天線中點(diǎn)O為原點(diǎn),在近似均質(zhì)煤層中,任意觀測(cè)點(diǎn)P到點(diǎn)O的距離為r,在此條件下求解介質(zhì)中的波動(dòng)方程,可得P點(diǎn)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)度HP為:

HP=H0r-1e-β rsinθ.

式中:H0為在一定的發(fā)射功率下天線周圍煤層的初始場(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)的直線距離,m;sinθ為方向性因子,θ為偶極子軸與觀測(cè)點(diǎn)方向的夾角,(°)。

2 回采工作面探測(cè)

2.1 工作面概況

9102回采工作面位于沁水煤田晉城礦區(qū),由91021巷、91023巷及切眼圈定,走向長(zhǎng)1 300 m,傾向?qū)?80 m?；夭擅簩訛槭肯堤M9#無煙煤,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤厚1.1～2.3 m,煤層中間有0.2～0.5 m厚夾矸。地面三維地震資料顯示，該工作面內(nèi)存在兩個(gè)陷落柱,且其中一個(gè)在掘進(jìn)過程中已經(jīng)部分揭露,為進(jìn)一步查清陷落柱發(fā)育規(guī)模與形態(tài),確保工作面安全高效回采,需對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)與分析。

2.2 探測(cè)方案

電磁波在煤層中的傳播速度與頻率有關(guān),如果工作頻率過高,則波長(zhǎng)小,分辨率就高,有利于提高異常體的顯示度,但透視距離小;如果工作頻率過低,則波長(zhǎng)大,衰減速度慢,趨膚效應(yīng)小,透視距離遠(yuǎn),但因一次繞射作用使得“透視異?！笨赡鼙蝗趸：?。為了較好地突出“陰影”區(qū),考慮工作面規(guī)模和產(chǎn)狀,采用 YDT88無線電波坑透儀進(jìn)行探測(cè),設(shè)置365 kHz作為信號(hào)激勵(lì)頻率。圖1為9102工作面無線電波透視射線示意圖。

圖1 9102工作面無線電波透視射線示意圖Fig.1 Schematic diagram of radio wave perspective rays on 9102 working face

如圖1所示,本次探測(cè)采用一發(fā)一收式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。于91021巷布置發(fā)射天線,91023巷布置接收天線,由切眼向巷口方向依次發(fā)射和接收。設(shè)計(jì)發(fā)射測(cè)點(diǎn)間距為50 m,接收測(cè)點(diǎn)間距為10 m。單條順槽發(fā)射測(cè)點(diǎn)27個(gè),除第1個(gè)發(fā)射測(cè)點(diǎn)和第27個(gè)發(fā)射測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)6個(gè)接收測(cè)點(diǎn)外,其余各發(fā)射測(cè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)11個(gè)接收測(cè)點(diǎn),單次發(fā)射接收合計(jì)獲取287個(gè)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)。91021巷完成發(fā)射工作后,調(diào)換發(fā)射天線和接收天線,再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,兩順槽共獲取574個(gè)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值。

為了避免電力干擾對(duì)電磁波的影響,根據(jù)發(fā)射接收測(cè)點(diǎn)數(shù)量和順槽長(zhǎng)度,結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn),施工時(shí)需確保工作面周邊停電160 min。同時(shí),施工選在掘進(jìn)配套設(shè)備全部退出而回采設(shè)備未安裝期間進(jìn)行,由此減少鐵器對(duì)電磁波的干擾。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)CT圖

利用CT技術(shù)解釋坑透資料的基本原理是將坑透工作面劃分成有不同吸收系數(shù)的若干單元,每一個(gè)小單元可視為均勻介質(zhì)。根據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值,利用SIRT算法(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques,同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù)),計(jì)算矩陣方程即可以反演各單元吸收系數(shù)值,再借助Surfer軟件插值功能實(shí)現(xiàn)工作面吸收系數(shù)反演CT成像,該方法對(duì)地質(zhì)異常體橫向識(shí)別具有重要意義[7-8]。場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)越大,表明該處煤層遭受破壞越嚴(yán)重,地質(zhì)異常體越發(fā)育[9];反之,則煤層越完整。圖2為9102工作面場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)CT圖。

圖2 9102工作面場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)CT圖Fig.2 CT image of field strength absorption coefficient of 9102 working face

由圖2可知,9102工作面煤層完整區(qū)場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)小于0.03,但同時(shí)存在2處高值異常,其吸收系數(shù)均大于0.03。初步分析認(rèn)為,自切眼向巷口方向380～480 m(YC1)和660～800 m(YC2)處存在地質(zhì)異常體。

2.3.2實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線

YDT88無線電波透視儀在365 kHz頻率探測(cè)該工作面時(shí),其初始場(chǎng)強(qiáng)為99.3 dB,傳播過程中受煤層等地質(zhì)體吸收,正常區(qū)域?qū)崪y(cè)場(chǎng)強(qiáng)值在25～44 dB之間。同時(shí),與場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)CT圖中高值異常區(qū)大體相對(duì)應(yīng)位置同樣出現(xiàn)2處低值異常。圖3為順槽實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線。

圖3 順槽實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線Fig.3 Measured field strength curves of gateways

如圖3所示,YC1場(chǎng)強(qiáng)值介于0～29 dB之間,低場(chǎng)強(qiáng)值區(qū)域相對(duì)集中,且曲線形態(tài)呈陷落柱典型的“V”字形,由此推斷YC1處發(fā)育有陷落柱;YC2場(chǎng)強(qiáng)值介于4～30 dB之間,曲線形態(tài)亦呈 “V”字形,與YC1不同之處在于其低場(chǎng)強(qiáng)值區(qū)域連續(xù)性差,比較分散,結(jié)合91023巷掘進(jìn)中已揭露部分陷落柱,推斷YC2區(qū)存在陷落柱,同時(shí)不能排除小型斷層存在。綜上,YC1和YC2處存在地質(zhì)異常體,回采期間須加強(qiáng)該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治工作。

3 驗(yàn)證情況

9102工作面回采過程中實(shí)際揭露2個(gè)陷落柱和1條斷層,如圖4所示。

圖4 9102工作面實(shí)際揭露陷落柱示意圖Fig.4 Schematic diagram of exposed collapse columns of 9102 working face

由圖4可知，陷落柱X1對(duì)應(yīng)YC1,陷落柱X2和斷層F1對(duì)應(yīng)YC2。X1呈橢圓狀,長(zhǎng)軸95 m,短軸20 m,位于距切眼390～460 m處;FI位于91021巷一側(cè),距切眼660～690 m處,斷距1.9 m;X2亦呈橢圓狀,長(zhǎng)軸50 m,短軸25 m,位于距切眼700～770 m處。未圈異常區(qū)煤層發(fā)育完整,未發(fā)現(xiàn)其他地質(zhì)異常體。由此可見,實(shí)際揭露情況與數(shù)據(jù)分析解釋結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)論

1)YDT88無線電波透視儀在365 kHz頻率下工作時(shí)，性能穩(wěn)定,可實(shí)現(xiàn)對(duì)180 m寬工作面內(nèi)部地質(zhì)異常體的有效探測(cè)。

2)9102工作面煤層完整區(qū)場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)小于0.03,實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值在25～44 dB之間。通過綜合分析場(chǎng)強(qiáng)吸收系數(shù)CT圖和場(chǎng)強(qiáng)曲線,可以對(duì)陷落柱發(fā)育特征做出判斷,有效指導(dǎo)礦井安全回采。