用坑透儀探測井下地質(zhì)構(gòu)造
——以王莊煤礦9102工作面為例

梁新星

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046032)

隨著煤礦開采深度的逐年增加，煤礦井下地質(zhì)及水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜化[1]。尤其是在承壓開采采區(qū)，其工作面內(nèi)隱伏的導(dǎo)水構(gòu)造可能會直接連通奧灰水，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中面臨的地質(zhì)災(zāi)害比較突出，給礦井安全生產(chǎn)造成了一定的負(fù)面影響。怎樣對煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造做出有效、迅速的探測結(jié)果，已經(jīng)成為礦井生產(chǎn)過程中急需解決的實際問題，且該技術(shù)對工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確識別非常重要[2]。無線電透視技術(shù)以其探測距離遠(yuǎn)、精度高的優(yōu)勢，逐漸成為綜采工作面的主要物探方法之一[3]。

1 9102工作面概況

1.1 地面位置

北為西史村，南為東史村，西為太長高速路，東為新208國道，地面主要有新208國道。地面標(biāo)高901～932 m.

1.2 井下位置及四鄰情況

9102工作面位于91采區(qū)，工作面標(biāo)高380～425 m.北面是8107掘進工作面，南面是9103設(shè)計工作面，西接540膠帶巷，東面為9102里段未采區(qū)域。

2 坑透結(jié)果分析

2.1 坑透原理

無線電波坑道透視法又被稱為坑透法，以物理的探測方式工作，主要在查明未知區(qū)域或者工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況方面應(yīng)用。電磁波傳播于地下各煤巖層介質(zhì)時，由于各種巖石介質(zhì)、礦石或煤巖的電學(xué)性質(zhì)(電阻率ρ、介電常數(shù)ε)之間的差異性，巖層介質(zhì)對電磁波衰減程度有所差異。即當(dāng)?shù)妥鑾r遇到電磁波之后，對電磁波有很強的衰減程度。在井下進行工作時，電磁波遇到前方地質(zhì)構(gòu)造時，就會在界面處表現(xiàn)出折射或者反射的現(xiàn)象，從導(dǎo)致電磁波在能量上出現(xiàn)一定的損失。從而坑透法的探測原理可以分析出，在電磁波透視強弱的表現(xiàn)下，可以進行礦區(qū)的煤層、各種構(gòu)造和地質(zhì)體的推斷和解釋[4]。

電磁波在煤巖層介質(zhì)中傳播的時候，電磁波強度和相位大小與煤巖巖層的電阻率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等各個電磁參數(shù)息息相關(guān)，在煤系地層的巖-煤-巖的沉積序列中，上下覆巖層相對電阻率低，在吸收電磁波時呈現(xiàn)增強的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電磁波傳播的能量主要集中在煤巖層介質(zhì)當(dāng)中，無線電波透視探測就是以此為基礎(chǔ)的。煤層在沉積過程中受到各種地質(zhì)過程的作用，造成煤層介質(zhì)的電性參數(shù)不同，當(dāng)無線電波穿過煤層的不同位置，電磁波能量的吸收具有差異性，電阻率較低的介質(zhì)就有較大的吸收程度，穿透的能量就衰減了。無線電波透視探測在綜采工作面雙巷交替進行，從一巷發(fā)射，另一巷接收。經(jīng)過雙巷交替穿透數(shù)據(jù)的迭代反演等數(shù)據(jù)處理，形成綜采面的吸收系數(shù)CT成像，為綜采面的安全回采提供技術(shù)保障[5]，如圖1所示。

圖1 無線電波坑道透視原理圖

此次勘探使用的YDT88礦用無線電波透視儀由福州華宏智能科技有限公司生產(chǎn)，是引進數(shù)字通信調(diào)制、高速采樣、嵌入式系統(tǒng)等先進技術(shù)研制而成。該勘探儀具備收發(fā)一體、大透視距離和信號輸出穩(wěn)定等特點，支持一發(fā)多收和雙巷不交換施工，操作靈活便利，在一定程度上對現(xiàn)場施工效率與檢測精度有極大的改善。

2.2 坑透探測方法

由于工作環(huán)境的不同，無線電波透視的探測方法有2種：鉆孔電磁波法和坑道電磁波法。鉆井電磁波法以其工作方式不同分為單孔、雙孔、三孔和地面-井下4種方式?？拥离姶挪ǚㄒ云涔ぷ鞣绞讲煌譃橥椒ê投c法[6]。本次探測采用的是坑道電磁波法，下面對同步法和定點法做簡單的闡述：

1) 同步法。同步探測時，在不一樣的巷道中布置發(fā)射天線與接收天線，一起進行等距走動，然后一個點挨著一個點發(fā)射電磁波并接收。當(dāng)兩條巷道近于平行，并且出現(xiàn)工作面長度較大、井下鐵器沒有完全消除時，便能夠同步觀測。由于透視距離大致相同，各地干擾條件相似，并能夠接收到穿過煤層的電磁波，從而避免接收不同類別的干擾體造成的反射波、繞射波和散射波，保證了接收場強度值的真實性和準(zhǔn)確性，對于分析數(shù)據(jù)有幫助。然而，此種方法極易形成盲測區(qū)，并且存在遺漏測量的可能性。

2) 定點法。定點探測時，發(fā)射器的坐標(biāo)在同一時段是相對固定的。在一定區(qū)域內(nèi)，接收器一個點接著一個點觀察其場強，即定點發(fā)射，多點接收。當(dāng)工作面形狀不一致、長度不太長，且能排除人為干擾時，可采用定點法進行觀測。因為這種方法易觀察，不僅可以實現(xiàn)工作面兩次完全覆蓋，而且不存在盲區(qū)[7-8]。這種探測方法是以坑透探測綜合曲線為基礎(chǔ)，采用風(fēng)巷、運輸巷定點交匯的方式方法，確定地質(zhì)異常體的性質(zhì)、空間坐標(biāo)和所涉及的區(qū)域，對有目的的鉆探驗證有一定的參考價值。特點是投入資本少、出成圖結(jié)果快。在井下經(jīng)常采用定點探測[9]。

由坑透探測儀的接收器測量的電磁波是發(fā)射器在水平方向上的矢量。發(fā)射器發(fā)射的電磁波通過煤巖層介質(zhì)時，由于煤巖層介質(zhì)的電阻率不一樣，電磁場場強會發(fā)生數(shù)值改變。因此，在探測區(qū)域內(nèi)，只有對電磁場場強的變化進行研究，才能充分了解工作面煤巖層介質(zhì)物理性質(zhì)的變化[10]。所以在實際透視工作之前，選擇一種適合實際情況的觀察方法是非常重要的。探測施工示意如圖2所示。

圖2 無線電波坑道透視布置示意

2.3 坑透無線電波透視使用儀器和頻率選擇

在礦井中探測時，為確保數(shù)據(jù)可靠，本次采用定點法施測。接收機頻率可選擇88 k、158 k、365 k和965 k，為與發(fā)射機發(fā)射頻率一致，一般采用的頻率是365 k或158 k.另外高頻探測距離近、分辨率高，低頻探測距離遠(yuǎn)、分辨率低。9102工作面寬度約為260 m，為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，本次探測儀器采用的頻率是158 k.

2.4 坑透資料整理

基于無線電波坑透技術(shù)的理論基礎(chǔ)，結(jié)合無線電波坑透技術(shù)的數(shù)據(jù)處理、判讀以及生產(chǎn)需求，設(shè)計、編輯并分析異常區(qū)域數(shù)據(jù)，采用單個測試點、單條巷道多個測試點等多種方法分析，最終達(dá)到了無線電波坑透技術(shù)對數(shù)據(jù)的處理要求，并應(yīng)用于9102工作面中。

無線電波坑透數(shù)據(jù)處理的主要步驟是：第一步，建立新的工程，并對工程參數(shù)進行調(diào)整和修改；第二步，將輸入實測值，并根據(jù)實際情況進行數(shù)據(jù)處理；第三步，對理論場強、平均吸收系數(shù)參數(shù)進行分析；第四步，返演計算；最后進行圖件繪制并出圖。本次探測使用的儀器工作穩(wěn)定，且接收到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、完整，接收值變化明顯。在兩側(cè)干擾較大或數(shù)據(jù)明顯受影響的區(qū)域，執(zhí)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)排除，保留了工作面局部存在金屬體干擾，但不影響觀測結(jié)果的數(shù)據(jù)。從綜合曲線圖能夠得出，大部分曲線是完整的，表明檢測數(shù)據(jù)的采集滿足要求。

2.5 坑透結(jié)果

圖3為9102工作面158 k頻率的無線電波坑透異常成果圖，是數(shù)據(jù)整理、分析與解釋的直接評判標(biāo)準(zhǔn)以及最后的結(jié)果。從圖3中衰減系數(shù)色標(biāo)能夠評判出來，電磁波能量從弱到強的衰減順序是淺藍(lán)色、藍(lán)色、深藍(lán)色等。電磁波能量衰減越明顯的區(qū)域(即藍(lán)顏色變得越來越深)越可能出現(xiàn)地質(zhì)異常體。從圖3能夠看出，整個區(qū)域中出現(xiàn)了3個坑透的異常區(qū)域(圖中粗的粉色線條所包含的范圍)，分別命名為YC-1、YC-2、YC-3.

圖3 9102工作面無線電波坑透異常成果圖

工作面無線電波坑道透視探測成果顯示，在9102工作面外段面內(nèi)共存在3處構(gòu)造異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場探測條件綜合分析，YC-1異常區(qū)位于工作面低洼區(qū)域，分析為受巖性變化影響所致；YC-2異常區(qū)呈閉合形態(tài)，推測可能為煤巖層破碎所致；YC-3異常區(qū)同樣位于工作面低洼區(qū)域，且現(xiàn)場兩巷對應(yīng)區(qū)域存在大量的鐵器，分析可能受巖性變化和鐵器等綜合影響所致。

3 結(jié) 語

通過坑透印證得出，在9102工作面外段面內(nèi)共存在3處構(gòu)造異常區(qū)，坑透技術(shù)在煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測方面發(fā)揮了重要作用，在工作面回采之前對異常區(qū)域提供準(zhǔn)確的定位，并采取有效措施，可提高煤礦生產(chǎn)的安全性。