無線電波透視法在保德煤礦回采工作面中的應(yīng)用

高旭東

(國能神東煤炭集團(tuán)地測公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

保德煤礦81309工作面是三盤區(qū)深部區(qū)的綜采工作面，煤層底板標(biāo)高低于奧灰水平均水位189～239 m，屬帶壓開采煤層，帶壓2 MPa左右。該工作面內(nèi)部斷層及陷落柱的賦存情況尚不明確，在工作面回采時(shí)若奧陶系含水層的水通過斷層等構(gòu)造導(dǎo)入采掘工作面內(nèi)，將會(huì)引發(fā)透水事故造成設(shè)備損壞或人員傷害。保德煤礦嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》要求執(zhí)行“物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”的探測驗(yàn)證制度，在81309工作面圈成后及時(shí)組織地測公司物探專業(yè)技術(shù)人員，使用無線電波透視技術(shù)對(duì)81309工作面進(jìn)行探測，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)資料及各個(gè)透視異常進(jìn)行綜合分析判斷，再結(jié)合保德煤礦基本構(gòu)造類型和已掌握的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料進(jìn)行推斷后作出地質(zhì)解釋，最終提交81309工作面物探成果報(bào)告。本文通過在保德煤礦81309工作面進(jìn)行無線電波透視探測工作，說明應(yīng)用該物探技術(shù)探測回采工作面能夠?yàn)榈V井地質(zhì)防治水工作與技術(shù)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

1 無線電波透視技術(shù)及儀器概況

1.1 無線電波透視技術(shù)

無線電波透視技術(shù)是探測礦井回采工作面內(nèi)斷層、陷落柱、突水構(gòu)造和裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)構(gòu)造的一種物探技術(shù)方法，其無線波透視原理圖，如圖1所示。電磁波在煤巖層中傳播時(shí)，因?yàn)槊?、巖的介電常數(shù)和電阻率各不相同，所以煤、巖對(duì)電磁波能量的吸收也不相同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，高阻巖層則反之，同時(shí)當(dāng)傳播方向遇到構(gòu)造界面時(shí)，電磁波將會(huì)在構(gòu)造界面上產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，從而造成電磁波能量的損耗，使接收儀器接收不到或僅接收一部分電磁波透視信號(hào)，形成透視異常。再對(duì)透視異常進(jìn)行分析、對(duì)比、反演成像處理后確定為透視異常區(qū)。使用該物探技術(shù)可以預(yù)測預(yù)報(bào)回采工作面內(nèi)部的斷層、陷落柱、突水構(gòu)造和裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)構(gòu)造，為工作面安全高效回采提供決策依據(jù)。

圖1 無線電波透視原理

井下無線電波透視時(shí)的傳播方向可分解為平行層理和垂直層理，電磁波在同一煤層的一定范圍內(nèi)傳播時(shí)，平行層理方向上可近似認(rèn)為是均勻介質(zhì)，而在垂直層理方向是非均勻介質(zhì)。因此無線電波透視探測工作面時(shí)仍可應(yīng)用均勻介質(zhì)中傳播的公式，若原點(diǎn)O為發(fā)射線圈軸中點(diǎn)，在同一工作面中，觀測點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離為r，則P點(diǎn)的無線電波場強(qiáng)度Hr見式(1)

(1)

式中，Ho為發(fā)射線圈周圍煤巖層的初始場強(qiáng)；β為煤層對(duì)無線電波的吸收系數(shù)；r為P點(diǎn)到O點(diǎn)的直線距離，m；f(θ)為方向性因子；θ為偶極子軸與觀測點(diǎn)方向的夾角，(°)。

吸收系數(shù)β是影響場強(qiáng)幅值的主要參數(shù)，其值越大，場強(qiáng)變化就越大。在同一煤層中，設(shè)備的頻率越高煤層的吸收系數(shù)就越大，無線電波穿透煤層的距離就越近，因此探測大透視距離的工作面時(shí)，應(yīng)選用較低工作頻率的設(shè)備；若為了提高分辨能力，則選用高頻率的設(shè)備更為適合。

1.2 儀器及其技術(shù)參數(shù)

無線電波透視儀在我國煤礦的應(yīng)用和研制處于領(lǐng)先地位，本次使用的無線電波透視儀是YDT88型儀器，該儀器的組成部分如圖2所示。

圖2 YDT88無線電波透視儀

YDT88礦用無線電波透視儀可有效地解決目前傳統(tǒng)坑透儀器透視距離小、儀器攜帶不便及探測操作復(fù)雜等問題，具有超大透距、智能收發(fā)、一發(fā)雙收、輕便靈活、CT成像、本安防爆等特點(diǎn)。無線電波透視儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1.2.1 發(fā)射部分

防爆型式：本質(zhì)安全型

發(fā)射頻率/MHz：88 kHz、158 kHz、365 kHz、965 kHz

頻率穩(wěn)定度：>5×10-6

發(fā)射功率：<6 W

1.2.2 接收部分

防爆型式：本質(zhì)安全型

工作頻率/MHz：88 kHz、158 kHz、365 kHz、965 kHz

接收靈敏度(信噪比3∶1)：<0.03 uV/m

顯示方式：數(shù)碼管數(shù)字顯示

顯示分辨率：0.1 dB

2 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 地質(zhì)概況

保德煤礦81309工作面長260 m，走向長2 600 m，工作面煤層為二疊紀(jì)煤層，煤層傾角為3°～7°，平均4°左右。煤層厚度表現(xiàn)為中間厚兩邊薄，巷道開口端煤層厚度為7.0 m，中部最厚為8.2 m，掘進(jìn)巷道南部最薄為5.6 m，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有夾矸3～4層，單層夾矸最大厚度為0.6 m。掘進(jìn)揭露資料顯示距開口1 333～2 813 m受古河流沖刷，該范圍內(nèi)可能存在斷裂構(gòu)造或有同煤層走向一致的裂隙帶。

2.2 水文地質(zhì)概況

81309工作面煤層的主要充水水源為砂巖含水層裂隙水，一般表現(xiàn)為巷道頂板的淋滴水，若遇到裂隙帶發(fā)育或支護(hù)錨索鉆至砂巖含水層時(shí)，頂板的淋滴水就會(huì)增大。

工作面煤層底板標(biāo)高600～650 m，總體趨勢由回順向膠運(yùn)降低，最低點(diǎn)位于膠運(yùn)靠近切眼處。奧灰水水頭標(biāo)高839 m，資料顯示81309工作面8號(hào)煤層底板至奧灰?guī)r頂界面隔水層厚度為100～120 m，計(jì)算出的突水系數(shù)為0.028～0.033 MPa/m。按照理論沒有奧灰水突水威脅，如果遇到落差較大的斷層與陷落柱等大型導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，奧陶系含水層的水將通過這些導(dǎo)水構(gòu)造導(dǎo)入工作面內(nèi)。

3 探測工程量的質(zhì)量控制及資料解釋

3.1 測點(diǎn)布置

保德煤礦81309工作面無線電波透視探測在81309膠運(yùn)、81309一號(hào)回風(fēng)順槽中進(jìn)行，采用定點(diǎn)法觀測，即定點(diǎn)發(fā)射，多點(diǎn)接收(發(fā)射機(jī)在一定的時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定，接收機(jī)在一定的范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測其場強(qiáng)值)，如圖3所示。本次無線電波透視工作面探測發(fā)射點(diǎn)間距設(shè)為50 m、接收點(diǎn)間距設(shè)為10 m，在另一順槽的一定范圍內(nèi)進(jìn)行扇形掃描接收。

3.2 質(zhì)量控制

因巷道中的人工導(dǎo)體、通電設(shè)備對(duì)電磁波的傳播有干擾作用，為了確保采集準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)，探測前采取了以下技術(shù)措施。

拆撤：探測前建議礦方將巷道內(nèi)皮帶架全部拆撤后方可組織探測工作，減少皮帶支架對(duì)電磁波的屏蔽吸收。

停電：因工業(yè)電的干擾，在探測時(shí)要求礦內(nèi)將工作面區(qū)的動(dòng)力電處于停電狀態(tài)，確保探測采集的數(shù)據(jù)不受干擾，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠、準(zhǔn)確。

3.3 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)述

探測過程中嚴(yán)格按照《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T 898—2000)進(jìn)行，確保原始數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量。本次物探工程布置550個(gè)測點(diǎn)，其中檢查點(diǎn)為30個(gè)，均符合規(guī)范中檢查點(diǎn)不小于5%的要求。

原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量以檢查點(diǎn)相對(duì)均方誤差值來衡量。見式(2)

(2)

式中，n為檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)；ρi為第i個(gè)點(diǎn)的原測值；ρi′為第i個(gè)點(diǎn)的檢測值。

按此公式計(jì)算得到平均均方差±4.2%，符合規(guī)范要求不超過±5%的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 資料處理及解釋

3.4.1 資料整理

首先將探測時(shí)記錄的實(shí)測場強(qiáng)值Hr，運(yùn)用電磁場強(qiáng)公式進(jìn)行運(yùn)算后得出初始場強(qiáng)Ho，再繪制實(shí)測場強(qiáng)曲線圖、射線分布圖、異常交會(huì)圖、反演結(jié)果圖等圖件，為解釋資料提供依據(jù)。

3.4.2 資料解釋

根據(jù)衰減系數(shù)可將無線電波透視的層析成像分為絕對(duì)衰減層析成像圖和相對(duì)衰減層析成像圖。

絕對(duì)衰減層析成像圖：通過實(shí)測場強(qiáng)值計(jì)算出所探測工作面的衰減系數(shù)得到的二維成像圖。

相對(duì)衰減層析成像圖：設(shè)正常區(qū)段的衰減系數(shù)為某一常數(shù)，則用這個(gè)常數(shù)與所探測工作面的衰減系數(shù)相減得到的二維成像圖。

采用相對(duì)衰減層析成像技術(shù)對(duì)本次探測原始資料數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該技術(shù)是用相對(duì)衰減算法進(jìn)行層析處理，以工作面中電磁波場強(qiáng)衰減系數(shù)的相對(duì)分布情況進(jìn)行異常圖像的重建。

最終的異常性質(zhì)可根據(jù)異常形態(tài)結(jié)合保德煤礦基本構(gòu)造類型和已掌握的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料、構(gòu)造發(fā)育規(guī)律進(jìn)行綜合分析推斷。

4 81309工作面無線電波透視成果

4.1 無線電波透視成果圖

本次探測設(shè)計(jì)合理，原始數(shù)據(jù)、資料采集流程符合《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T 898—2000)要求，資料處理解釋方法正確，推斷結(jié)論合理，達(dá)到了預(yù)期探查目的。801309工作面無線電波透視探測發(fā)現(xiàn)的4處相對(duì)衰減較強(qiáng)異常區(qū)，如圖4所示，分別編號(hào)為①、②、③、④號(hào)異常。

圖4 保德煤礦81309工作面無線電波透視探測成果

①號(hào)異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向1 100～1 280 m附近，在81309工作面膠運(yùn)和81309一回之間呈圓形分布。

②號(hào)異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向1 520～1 590 m附近，在81309工作面膠運(yùn)和81309一回之間呈條帶狀分布。

③號(hào)異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向1 620～1 690 m附近，在81309工作面膠運(yùn)和81309一回之間呈條帶狀分布。

④號(hào)異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向2 050～2 100 m附近，在81309工作面膠運(yùn)和81309一回之間呈條帶狀分布。

4.2 無線電波透視異常區(qū)性質(zhì)分析與推斷

根據(jù)上述保德煤礦81309工作面透視成果并結(jié)合采掘工程平面圖及已知地質(zhì)資料對(duì)4處異常區(qū)進(jìn)行綜合推斷如下。

①號(hào)異常區(qū)：其異常區(qū)范圍較大，幅值相對(duì)較高，可能是由于煤層變薄、夾矸變厚所引起的異常；也可能是斷層等構(gòu)造引起的構(gòu)造發(fā)育區(qū)導(dǎo)致的異常。

②、③號(hào)異常區(qū)：2個(gè)異常區(qū)的范圍較大，幅值也相對(duì)較高，可能是由于煤層變薄、夾矸變厚所引起的異常；也可能是斷層等構(gòu)造引起的構(gòu)造發(fā)育區(qū)導(dǎo)致的異常。

④號(hào)異常區(qū)：其范圍較小，幅值也相對(duì)較小，推測異常區(qū)為斷層等構(gòu)造引起的構(gòu)造發(fā)育區(qū)，也可能是煤層變薄，夾矸變厚所引起的異常。

5 結(jié)論

通過在保德煤礦81309工作面開展無線電波透視法物探技術(shù)的應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

(1)無線電波透視技術(shù)是探測工作面內(nèi)部、斷層、陷落柱、突水構(gòu)造和裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)構(gòu)造行之有效的物探技術(shù)，探測施工工藝較其他物探方法簡便，應(yīng)用范圍廣、工作效率高、探測效果好，可以為礦井地質(zhì)防治水工作與技術(shù)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

(2)因物探具有相對(duì)性、多解性，上述無線電波透視探測成果是在工作面回采前相對(duì)靜態(tài)、均衡的前提下獲得的，而在工作面回采過程中由于地應(yīng)力失去平衡后，原來不導(dǎo)水的裂縫也會(huì)變成導(dǎo)水裂縫。但是低阻異常區(qū)是客觀存在的，能否通過構(gòu)造、裂縫導(dǎo)水、突水受各種因素的影響和控制。

(3)應(yīng)用無線電波透視技術(shù)探測回采工作面只能探查工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及煤層結(jié)構(gòu)厚度變化，不能探查回采工作面頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)的巖層賦水性，建議在同一回采工作面應(yīng)用綜合物探技術(shù)探測，覆蓋工作面內(nèi)部及頂?shù)装逡欢ǚ秶?，更能精確的定位、推斷、解釋各種異常體，為井下鉆探施工提供靶點(diǎn)，提前預(yù)防礦井水害的發(fā)生，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

(4)81309工作面的4處無線電波透視異常區(qū)局部存在一定的連通趨勢，建議礦方作為重點(diǎn)防治水區(qū)域，在工作面回采前組織探放水隊(duì)進(jìn)行打鉆補(bǔ)勘，進(jìn)一步查明、驗(yàn)證異常區(qū)的性質(zhì)，及時(shí)采取有效措施。81309工作面探測成果可作為工作面回采前防治水工作設(shè)計(jì)和實(shí)施的參考依據(jù)。同時(shí)建議礦方在回采前還應(yīng)考慮到頂、底板涌水情況，根據(jù)本工作面防排水系統(tǒng)特征、條件等情況，準(zhǔn)備充足的防排水設(shè)施。在回采過程中注意監(jiān)測工作面水情、觀測水文孔的水位變化，并及時(shí)進(jìn)行分析，制定、采取專項(xiàng)措施，確保礦井生產(chǎn)安全。