無(wú)線電波坑道透視法在探測(cè)不同煤厚的地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)用及探討

＊趙煊煊 王麗軍 尉琦輝 楊俊超

（1.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院有限公司 山西 030600 2.山西宏鼎科技有限公司 山西 030001）

前言

由于綜采工作面內(nèi)隱伏的地質(zhì)構(gòu)造（陷落柱、斷層）、含水體等隱蔽致災(zāi)因素在礦井生產(chǎn)過(guò)程中給煤礦的生產(chǎn)與安全帶來(lái)較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也影響到生產(chǎn)計(jì)劃、資源回收率及煤炭開(kāi)采效益，故建議在綜采工作前采用地球物理勘查方法對(duì)綜采工作面內(nèi)的隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行探查工作。目前對(duì)綜采工作面內(nèi)隱蔽致災(zāi)因素常見(jiàn)的物探方法有無(wú)線電波坑道透視法、礦井瞬變電磁法、音頻電穿透法、槽波地震勘探法等。對(duì)綜采工作面中地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，目前常用的有無(wú)線電波坑道透視法和槽波地震勘探法，綜合比較可知，無(wú)線電波坑道透視法施工設(shè)備輕便、數(shù)據(jù)采集迅速、探測(cè)距離大、探測(cè)效果較為顯著、成本低、性價(jià)比高，因此在市場(chǎng)中應(yīng)用較為廣泛。

1.工作原理及解釋方法

電磁波在地下巖層傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性的不同，對(duì)電磁波能量吸收不同。因此，電磁波穿過(guò)礦井下綜采工作面煤層途中遇到巖層發(fā)生時(shí)，波能量會(huì)隨之發(fā)生變化，接收到的電磁波信號(hào)會(huì)變?nèi)趸蚪邮詹坏叫盘?hào)，呈現(xiàn)透視異常區(qū)域。

無(wú)線電波坑道透視資料在綜采工作面探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)主要采用場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比和CT成像技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，結(jié)合井下實(shí)際揭露情況進(jìn)行對(duì)比解釋。

(1)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比法

場(chǎng)強(qiáng)綜合曲線圖：?jiǎn)蝹€(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)接收的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值、理論場(chǎng)強(qiáng)值和衰減系數(shù)值繪制在同一個(gè)坐標(biāo)軸，橫軸為接收點(diǎn)號(hào)，間距為接收點(diǎn)距。

交匯平面圖：在綜采工作面工程布置圖上，按探測(cè)的點(diǎn)距在兩巷標(biāo)定發(fā)射點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)。將接收異常點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的發(fā)射點(diǎn)連線，繪制出的范圍便為異常體的平面位置，如圖1所示。

圖1 無(wú)線電波透視曲線交匯法解釋示意圖

(2)CT成像法

把綜采工作面劃分成為不同吸收系數(shù)的若干小單元（像元），每個(gè)小單元內(nèi)可視為介質(zhì)相對(duì)均勻。多個(gè)發(fā)射點(diǎn)上對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分別進(jìn)行多重觀測(cè)，可以得出綜采工作面內(nèi)每個(gè)單元的場(chǎng)強(qiáng)值。

2.坑透法探測(cè)時(shí)的儀器參數(shù)選擇和工作布置

(1)煤層厚度的劃分

0.5～1.3m為薄煤層、1.3～3.5m為中厚煤層、3.5～8.0m為厚煤層。

(2)儀器參數(shù)的選定

使用的無(wú)線電波坑道透視裝備為YDT88礦用無(wú)線電波透視儀，設(shè)定頻率分別為88kHz、158kHz、365kHz、965kHz，靈敏度（信噪比3:1）：＜0.06μV。頻率的選擇根據(jù)工作面寬度進(jìn)行試驗(yàn)工作來(lái)選擇。

(3)工作方法布置

采用定點(diǎn)法：發(fā)射機(jī)相對(duì)固定，接收機(jī)在指定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值，接收點(diǎn)間距為10m，發(fā)射點(diǎn)間距為50m。每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，接收機(jī)可相應(yīng)的接收11個(gè)點(diǎn)。

3.山西的應(yīng)用實(shí)例

(1)在厚煤層中的探測(cè)

①綜采工作面概況。山西省大同市某礦22602工作面，回風(fēng)順槽走向長(zhǎng)度約1800m，運(yùn)輸順槽走向長(zhǎng)度約2018m，傾向長(zhǎng)度230m，22號(hào)煤層，厚度為7.45～10.25m，平均厚度為9.5m；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。根據(jù)礦方提供資料得知，在掘進(jìn)期間實(shí)際揭露多條斷層，如圖2所示，十字線圈定范圍為探測(cè)工作面范圍。

圖2 探測(cè)工作面范圍圖

②實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖及反演吸收系數(shù)分布圖分析。圖3為22602工作面回風(fēng)順槽與運(yùn)輸順槽實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖，等值線數(shù)值為實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，26～54dB代表了場(chǎng)強(qiáng)由低到高的變化過(guò)程。

圖3 22602工作面實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖

從圖3可以看出，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)較低值分別位于22602綜采工作面0～100、680～750和1380～1470測(cè)點(diǎn)位置。其中（150～160、790～820、900～920和1350～1360）測(cè)點(diǎn)靠近回風(fēng)順槽呈現(xiàn)低場(chǎng)強(qiáng)電性特征反映。

如CT成像圖所示（圖4），工作面內(nèi)電磁波吸收系數(shù)大體介于0.0175～0.0295，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和巷道揭露的實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)衰減系數(shù)較大的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)分析，探測(cè)結(jié)果結(jié)合井下巷道實(shí)際揭露構(gòu)造以吸收系數(shù)0.0235為閾值，吸收系數(shù)β≤0.0235時(shí)推斷此范圍內(nèi)無(wú)構(gòu)造發(fā)育，當(dāng)β＞0.0235時(shí)推斷此范圍內(nèi)有構(gòu)造發(fā)育。圖4中反演吸收系數(shù)值0.0175～0.0295（β）代表了吸收系數(shù)值的遞增趨勢(shì)。

圖4 22602工作面反演吸收系數(shù)分布圖

從圖4可看出，0～150測(cè)點(diǎn)區(qū)域反演吸收系數(shù)相對(duì)較高，1350～1450測(cè)點(diǎn)吸收系數(shù)值次之，640～820測(cè)點(diǎn)和880～970測(cè)點(diǎn)吸收系數(shù)值相對(duì)較小。

根據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖和反演吸收系數(shù)圖綜合分析，在22602綜采工作面0～150、640～820、880～970和1350～1450測(cè)點(diǎn)位置均出現(xiàn)低場(chǎng)強(qiáng)、強(qiáng)吸收區(qū)。

在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽0～150m、640～820m、880～970m、1350～1450m處均揭露有斷層且吸收系數(shù)β＞0.0235，因此本次的探測(cè)結(jié)果與井下揭露的斷層的位置基本一致。

(2)在中厚煤層中的探測(cè)

①綜采工作面概況。山西省晉城市某礦15205工作面，走向長(zhǎng)度為660m，傾向?yàn)?76m。15號(hào)煤層厚度為2.3～3.4m，平均厚度為3.1m；煤層傾角為1°～7°，平均傾角為3°。由礦方提供資料得知，在運(yùn)輸順槽210～290m處揭露一條正斷層，走向N4°E，傾向N83°W，傾角約30°，落差約5m，如圖5所示。

圖5 探測(cè)工作面范圍圖

②實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖及反演吸收系數(shù)分布圖分析

如圖6所示，等值線數(shù)值為實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，40～70（dB）代表了場(chǎng)強(qiáng)由低到高的變化過(guò)程。

圖6 15205工作面實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖

根據(jù)C T 成像圖所示（圖6），反演吸收系數(shù)β≤0.363時(shí)推斷范圍內(nèi)無(wú)構(gòu)造發(fā)育，當(dāng)存在導(dǎo)致電磁波折射、反射、強(qiáng)吸收的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其吸收系數(shù)β＞0.363。最后根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特征和巷道揭露的實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)吸收系數(shù)較大的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)分析。

根據(jù)（圖6）15205工作面實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖和（圖7）15205工作面反演吸收系數(shù)分布圖綜合分析，發(fā)現(xiàn)15205回采工作面210～290測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)相對(duì)低場(chǎng)強(qiáng)、強(qiáng)吸收區(qū)。

圖7 15205工作面反演吸收系數(shù)分布圖

在運(yùn)輸順槽210～290m內(nèi)揭露有斷層且吸收系數(shù)β＞0.363，因此本次的探測(cè)結(jié)果與井下揭露的斷層的位置基本一致。

(3)在薄煤層中的探測(cè)

山西省晉中市某礦100306回采工作面，走向長(zhǎng)度為705m，寬度為146m，10號(hào)煤層煤厚為0.90～1.05m，平均厚度為0.95m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含1層灰色砂質(zhì)泥巖夾矸，厚度為0.2～0.5m。根據(jù)礦方提供的資料得知，在運(yùn)輸順槽160～180m揭露水平斷交橢圓形，長(zhǎng)軸約29.5m，短軸約13m的陷落柱。如圖8所示，十字線圈定區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)范圍。

圖8 探測(cè)工作面范圍圖

圖9中等值線數(shù)值為實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，22～66dB代表了場(chǎng)強(qiáng)由低到高的變化過(guò)程。

圖9 100306工作面實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖

CT成像圖上不同顏色代表電磁波在煤層的衰減系數(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理后的特征，結(jié)合礦方提供的相關(guān)地質(zhì)資料分析認(rèn)為：吸收系數(shù)β≤0.022時(shí)推斷探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)大型構(gòu)造存在，當(dāng)存在導(dǎo)致電磁波折射、反射、強(qiáng)吸收的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其吸收系數(shù)β＞0.022。如圖10所示，靠近回風(fēng)順槽120～140、310～350、410～450和540～590號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)低場(chǎng)強(qiáng)、強(qiáng)吸收異常區(qū)?？拷\(yùn)輸順槽70～120、280～320和500～520號(hào)測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)低場(chǎng)強(qiáng)、強(qiáng)吸收異常區(qū)。

圖10 100306工作面反演吸收系數(shù)分布圖

在運(yùn)輸順槽160～180m內(nèi)揭露有陷落柱且吸收系數(shù)β＞0.022，因此本次的探測(cè)結(jié)果與井下揭露的陷落柱的位置不一致。

4.結(jié)論

盡管近年來(lái)地球物理方法和技術(shù)不斷更新和提高，綜采工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)仍然是影響煤礦生產(chǎn)的重要隱蔽致災(zāi)因素之一，提高探測(cè)精準(zhǔn)度，為礦井安全高效生產(chǎn)提供相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)，始終是地球物理工作的主要目標(biāo)。

綜上所述，得出以下結(jié)論：

（1）無(wú)線電波坑道透視法作為一項(xiàng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)方法，采用不同的探測(cè)參數(shù)，受煤層及圍巖的影響，得到的場(chǎng)強(qiáng)和吸收系數(shù)，差異較大。

（2）無(wú)線電波透視法對(duì)垂向或斜交工作面地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)較平行工作面走向構(gòu)造的效果較好。

（3）無(wú)線電波透視法對(duì)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較簡(jiǎn)單的綜采工作面的探測(cè)效果較好。

（4）無(wú)線電波透視法對(duì)在山西的厚煤層和中厚煤層中探測(cè)效果相對(duì)較好，在薄煤層中受?chē)鷰r電磁效應(yīng)的影響，探測(cè)效果相對(duì)較差。