基于無(wú)線(xiàn)坑透法對(duì)工作面勘測(cè)應(yīng)用研究分析

石 巖 張 倩 馬漢文

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046204）

煤礦井田地質(zhì)賦存情況較為復(fù)雜，煤層中可能存在陷落柱、斷層以及其他構(gòu)造發(fā)育情況。因而，在N1303 工作面開(kāi)采之前需要進(jìn)行地質(zhì)勘探[1-4]，結(jié)合鉆探法和無(wú)線(xiàn)坑透法來(lái)相互印證，提升探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)的成功率。

1 工程背景

潞安化工集團(tuán)古城煤礦位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣李高鄉(xiāng)西李高村境內(nèi)，緊鄰東河村東側(cè)、迎澤大道西側(cè)、東李高鄉(xiāng)北側(cè)。井田東西長(zhǎng)約為17 km，南北寬約為15 km，井田面積為157 km2，平均埋深為520 m。以3#煤層為主采煤層，儲(chǔ)量為7.4 億t，年設(shè)計(jì)礦井生產(chǎn)能力為0.8 Mt，煤種以低硫、高熱值的貧煤為主。

古城煤礦N1303 工作面位置處于北一盤(pán)區(qū)，西側(cè)為N1302 工作面，東側(cè)為N1305 工作面。工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度為2230 m，工作面布置方向長(zhǎng)度為300 m，工作面面積為6.7×105m2，煤層平均厚度為6.03 m。采用無(wú)線(xiàn)坑透法對(duì)3#煤層中地質(zhì)變化異常區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)圈定，判斷N1303 工作面煤層中是否存在隱性地質(zhì)構(gòu)造，其發(fā)展形態(tài)和賦存方式均影響工作面安全高效回采。

2 設(shè)備工作原理

無(wú)線(xiàn)坑透探測(cè)設(shè)備主要是根據(jù)礦井中不同巖性巖石對(duì)電磁波的吸收能力來(lái)判別煤層地質(zhì)變化情況。若其中存在地質(zhì)構(gòu)造（類(lèi)似陷落柱、斷層等）情況，相應(yīng)設(shè)備發(fā)射的電磁波能量會(huì)被吸收，亦造成能量損失。因此，無(wú)線(xiàn)電波坑透法可有效判斷出工作面煤層中是否存在地質(zhì)構(gòu)造。每組無(wú)線(xiàn)電波坑透設(shè)備中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需分別布置在運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道中，每組發(fā)射機(jī)所處的巷道發(fā)射點(diǎn)間距為50 m，而另一巷道內(nèi)接收機(jī)接收點(diǎn)間距為10 m。每組數(shù)據(jù)中需要1 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，以及可觀測(cè)的11 個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值。無(wú)線(xiàn)坑透原理如圖1。

圖1 無(wú)線(xiàn)坑透原理圖

工作面無(wú)線(xiàn)坑透法，假設(shè)發(fā)射點(diǎn)C 為原點(diǎn)，接收點(diǎn)Q 到C 的距離為L(zhǎng)，則Q 點(diǎn)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)度Tq為：

式中：T0為一定發(fā)射頻率下，煤層周?chē)某跏紙?chǎng)強(qiáng)值，A/m；α為煤層對(duì)電波的吸收能力判別系數(shù)；L為一條巷道發(fā)射點(diǎn)Q 到另一條巷道接收點(diǎn)O點(diǎn)的長(zhǎng)度，m；f（δ）為方向系數(shù)。

N1303 工作面所使用的探測(cè)設(shè)備為WKT—E 型無(wú)線(xiàn)電波透視儀，配有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，當(dāng)探測(cè)時(shí)使用發(fā)射和接收工作頻率為0.3 MHz。當(dāng)發(fā)射機(jī)內(nèi)的電磁波穿過(guò)煤層時(shí)，若煤層中存在地質(zhì)構(gòu)造，則接收機(jī)接收到的電磁波能量會(huì)明顯減弱，從而形成透視異常區(qū)域。

3 工作面設(shè)備布置情況

分別在N1303 工作面的兩條巷道（運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道）中布置無(wú)線(xiàn)坑透法的發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)，具體的布置方案為：一條巷道內(nèi)相鄰發(fā)射點(diǎn)間的距離為50 m，另一條巷道內(nèi)相鄰接收點(diǎn)間的距離為10 m。因此，工作面兩條巷道分別需布置45 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，全程共計(jì)需布置90 個(gè)。工作面兩條巷道需分別布置495 個(gè)接收點(diǎn)，全程共計(jì)需布置990 個(gè)。因此，工作面兩條巷道從開(kāi)切眼到停采線(xiàn)測(cè)點(diǎn)編號(hào)均從0#～223#。

本次對(duì)N1303 工作面內(nèi)坑透探測(cè)數(shù)據(jù)采集工作，從工作面停采線(xiàn)處（223#）開(kāi)始向工作面開(kāi)切眼方向（0#）進(jìn)行。在依次對(duì)運(yùn)輸巷道內(nèi)的發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)進(jìn)行采集后，在開(kāi)切眼處進(jìn)行交換，再進(jìn)行回風(fēng)巷道的點(diǎn)和接收點(diǎn)進(jìn)行交會(huì)，最終得到工作面兩條巷道內(nèi)的所有坑透探測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。具體的巷道內(nèi)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)布置如圖2。

圖2 無(wú)線(xiàn)坑透法測(cè)點(diǎn)布置圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)N1303 工作面兩巷所接收數(shù)據(jù)的整理，根據(jù)坑透CT 軟件系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)衰減狀態(tài)判斷，代入surfer 成圖軟件中進(jìn)行視電阻率反演，繼而對(duì)工作面煤層開(kāi)采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行科學(xué)精準(zhǔn)定位圈定。根據(jù)工作面內(nèi)不同場(chǎng)強(qiáng)衰減識(shí)別結(jié)果得到綜合曲線(xiàn)圖（圖3）、CT 成像圖（圖4）和視電阻率反演圖（圖5）。

4.1 工作面現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值變化特征

根據(jù)計(jì)算得到N1303 工作面煤層內(nèi)理論場(chǎng)強(qiáng)值均值為49.5 dB，具體的工作面兩巷實(shí)際坑透實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)變化分布情況如圖3。由圖3 可以看出，隨著工作面測(cè)點(diǎn)從0#到223#的變化（從開(kāi)切眼到停采線(xiàn)處），電磁波在穿過(guò)煤層時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)工作面煤層為均質(zhì)時(shí)，電磁波衰減程度不大，整體曲線(xiàn)較為平緩，無(wú)較大波動(dòng)。當(dāng)煤體內(nèi)出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，電磁波會(huì)出現(xiàn)較大幅度的衰減現(xiàn)象，整體曲線(xiàn)波動(dòng)幅度較大。因此，可以發(fā)現(xiàn)N1303 工作面內(nèi)煤層中地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域。

圖3 工作面電磁波探測(cè)曲線(xiàn)圖

4.2 工作面無(wú)線(xiàn)電波透視CT 變化特征

由N1303 工作面運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道內(nèi)所測(cè)得的電磁波場(chǎng)強(qiáng)值計(jì)算分析，得到工作面CT 成像圖（圖4）。同時(shí)根據(jù)圖中可知，整體N1303 工作面區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)衰減變化在0～40 dB 時(shí)，整體衰減值變化越小，繼而得到該范圍內(nèi)的煤層對(duì)電磁波的吸收能力越弱，則說(shuō)明此處存在地質(zhì)構(gòu)造的可能性越低。相反若整體衰減值變化越大，則可得到該范圍內(nèi)的煤層對(duì)電磁波的吸收能力越強(qiáng)，則說(shuō)明此處存在地質(zhì)構(gòu)造的可能性越高。圈定7 處透視異常區(qū)域，具體見(jiàn)表1 所示。

圖4 工作面CT 成像圖

表1 N1303 工作面異常區(qū)域

4.3 工作面視電阻率反演成果

利用surfer 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并建立工作面模型，進(jìn)而得到工作面電磁波透視探測(cè)反演結(jié)果（圖5）。通過(guò)反演分析，N1303 工作面地質(zhì)異常區(qū)域的漸變趨勢(shì)、形態(tài)變得更明顯。因此，視電阻率反演成果更有利于對(duì)工作面內(nèi)可能存在的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)解釋。

圖5 N1303 工作面坑透視電阻率反演圖

4.4 鉆探和電法探測(cè)綜合結(jié)果分析

根據(jù)地質(zhì)資料和鉆探結(jié)果可知，1#異常區(qū)內(nèi)有一個(gè)小型陷落柱，2#異常區(qū)有一條斷層（0.5 m），3#異常區(qū)內(nèi)有兩條斷層（0.5 m），4#異常區(qū)內(nèi)有一個(gè)小型陷落柱，5#異常區(qū)內(nèi)有兩條小斷層（0.5 m），6#異常區(qū)內(nèi)有四條小斷層（0.5 m），7#異常區(qū)內(nèi)有一條斷層（0.5 m）。通過(guò)N1303 工作面鉆探結(jié)果更加精準(zhǔn)地反映無(wú)線(xiàn)坑透法圈定的地質(zhì)異常區(qū)域范圍，繼而判斷得到3#煤層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不影響工作面的正?；夭伞?/p>

5 結(jié)論

采用WKT-E 無(wú)線(xiàn)電波透視儀（頻率為0.3 MHz）對(duì)古城煤礦N1303 工作面進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，共圈定7 處場(chǎng)強(qiáng)異常衰減區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)鉆探勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在斷層和隱伏陷落柱，為更加精準(zhǔn)確定工作面地質(zhì)構(gòu)造提供依據(jù)，從而更好地保障工作面安全高效回采。