煤層工作面不同接收間距無線電波透視對比分析

左汪會++吳榮新

摘 要：無線電波透視技術作為探測煤層工作面內地質構造常用的一種技術手段，其具有快速、輕便、成本低的特點。本文從分析坑透反演所需原始實測場強值數據量的角度出發，在等接收范圍內減小測點間距以豐富實測數據量，結合張集礦某工作面現場探查，將常規接收間距由10米縮短至5米，探測結果表明基于5米小接收間距的無線電波探測方式較10米常規接收間距具有更好的探測效果。

關鍵詞：煤層工作面；接收間距；無線電波透視

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.060

0 引言

在現代化煤礦的生產過程中，隨著綜合機械化采煤技術的不斷發展，對工作面地質構造異常的準確定位、發育程度以及影響范圍的認知必須得到相應的提高[1-3]。同時，伴隨著開采水平的延伸和開采深度的不斷加大，地質條件變得越來越復雜。礦井無線電波透視技術是煤礦中常用的一種地球物理勘查方法，常用來對煤層回采工作面內的地質構造進行探查，其具有快速、輕便、透距大、精度高的特點，對工作面內陷落柱、斷層、薄煤區等地質異常體探查效果良好[4] 。因此研究無線電波透視向高精度反演以此來提高地質異常體精確定位，對煤礦安全生產有著重要意義。

1 無線電波透視原理及其工作方式

1.1 無線電波透視原理

無線電波透視法又稱坑透，屬于地下電磁波法的一類。電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖礦石的電性（電阻率ρ、介電常數ε）存在差異，不同介質對電磁波吸收能力不同。在電磁波穿越煤層的途徑內，當遇到與煤層電性不同的地質構造時，諸如斷層、薄煤層、陷落柱等，電磁波能量會被其吸收或完全屏蔽，信號強度會明顯下降甚至接收不到信號，進而形成透射異常區。電磁波在煤層中場強衰減規律可利用其在均勻介質中的傳播公式表時，如下所示：

（1）

公式中：H0為偶極子發射功率及天線周圍煤層的初始場強；β為介質對電磁波的吸收系數；r為反射點與接收點的距離，為發射線圈平面法線與觀測點方向的夾角。

1.2 無線電波工作方法

無線電波透視觀測方式包括定點法觀測和同步法觀測兩種方式，常采用定點法觀測，即在一條巷道中設置發射點，利用坑透儀發射機發射電磁波信號，在另一條巷道中布置接收段信號段，利用坑透儀器接收機逐點接收電磁波場強，觀測射線呈扇形分布。對回風巷和運輸巷中發射點及對應接收段逐站進行探測，完成整個工作面的透視探測。

2 工作面探測及對比分析

2.1 工作面地質條件概況

本次探測選取淮南礦區張集礦某煤層工作面，位于-600m水平東一上采區，工作面斜長2450m，，走向長度為160m，該工作面所處區段主采煤層13-1煤在構造上呈寬緩的一背斜，并發育次一級小褶曲，煤層產狀變化不大，傾角為2～6。主采煤層為13-1層煤，上部局部賦存一兩層厚約0.2～0.5m的煤線以及一層夾矸。煤層穩定，局部手構造影響，煤層變薄、變軟。煤層厚度為3.1～5.8m，平均厚度為4.1m。煤呈一塊狀為主，弱玻璃光澤。煤層直接頂為灰色～深灰色泥巖及砂質泥巖，局部夾一兩層厚約0.2～0.5m的煤線，其中Fg5斷層附近直接頂板缺失，厚度0～6.0m；煤層直接底厚度9.5～16.8m，為灰～深灰色泥巖或砂質泥巖，發育13-1下煤，其厚為0.4～1.3m，距13-1煤層法距0.2～1.6m。

2.2 施工布置與現場數據采集

本次無線電波探測現場采用兩種接收間距進行數據采集，分別為常規接收間距10m和小接收間距5m，發射點間距均為50m，發射頻率為0.365MHZ。本次探測采用定點發射的觀測方式，按照事先安排好觀測約定時間序列，列出時間表格，現場探測時嚴格按時間表執行。兩種接收間距的探測方式均在回風順槽布置、運輸順槽布置25個、23個發射點，在等接收段距離內，10米接收間距對應的數據采集量為21個，5米接收間距對應的數據采集量為41個。

2.3 數據處理

本次探測分別采用接收點距為5米和10米、發射點距為50米的工作方式，在現場探測記錄每一測站對應的實測場強值，探測結束后，通過錄入數據和無線電波透視處理軟件ECT的初步處理，獲得如下射線分布圖，如圖1所示。從圖中射線分布密度可知，基于5米的接收間距的探測方式的射線密度明顯大于10米的接收間距探測方式，從數據實測場強數據數量上可得知，5米接收間距探測方式獲得的數據量是10米接收間距的兩倍，這為后期電磁波資料處理提供了更為豐富的數據，尤其是對于層析成像反演解不定方程所需的數據量。除此之外還獲得了基于10米和5米不同接收間距探測方式所對應的實測場強綜合曲線圖， 5米接收接收間距和10米接收間距探測方式所獲得的工作面實測場強分布圖，如下圖2所示。

2.4 坑透數據解釋

比較5米、10米接收間距分別對應的實測場強分布可知，兩種間距探測對工作面內的異常構造都有明顯的反映，說明了無線電波透視對構造探測的有效性。其中前者對確定異常構造分的位置、分布范圍較后者更加精確。

在分別獲得不同接收間距的實測場強分布圖的基礎上，經過基于SIRT反演算法的層析成像獲取不同網格劃分尺度下的層析成像圖，并疊加在工作面實際開采所揭露的構造分布圖上可定量分析異常構造的位置、分布范圍，如下圖3所示。

如圖3所示：單元網格邊長為5m的SIRT反演結果：對落差≥1/2煤厚斷層F2、F6、F7、F8反映顯著，位置控制較好，斷層影響區表現為顯著的高吸收系數值0.025～0.05dB/m；對落差<1/2煤厚斷層F1及薄煤區反映較顯著；對落差≤1/3煤厚斷層F3、F5、F9、F10及F11有一定反映；對落差≤1/3煤厚斷層F4反映不明顯。

如圖所示：單元網格邊長為10m的SIRT反演結果：對落差≥1/2煤厚斷層F2、F6、F7、F8反映顯著，位置控制較好，斷層影響區表現為顯著的高吸收系數值0.025～0.05dB/m；對落差<1/2煤厚斷層F1及薄煤區反映較顯著；對落差≤1/3煤厚斷層F3、F5、F9、F10及F11有一定反映；對落差≤1/3煤厚斷層F4反映不明顯。

綜合比較分析可得知，單元網格邊長為5m的SIRT反演結果反演結果中F6與F7、F8與薄煤區界線較清楚，對地質異常的分辨明顯優于單元網格邊長為10m的SIRT反演結果。

3 結論

針對本次將不同接收間距應用到具體工作面構造探測實驗研究，結果表明：

（1）煤層工作面無線電波探測對圈出工作面內異常構造確切有效，且能圈出異常區的位置、展布范圍。

（2）對于兩種不同接收間距的探測方式所獲取的實測場強層析成像均能對工作面內構造異常有所響應，其中小間距5米探測較10接收接收間距更能精確的確定斷層的位置。

參考文獻：

[1]吳榮新，劉盛東，肖玉林，徐翀.工作面無線電波透視實測場強分析及應用[J].巖土力學，2010，31（1增刊）：435-440.

[2]岳洪波，李東會.礦井小構造與瓦斯的坑道無線電磁波透視法應用分析[J].礦業快報，2007（04）：65-66.

[3]高一峰.無線電波透視在煤礦中的應用[J].物探與化探，2007，31

（增刊）：105-108.

[4]張旻舳，師學明.電磁波層析成像技術進展[J].工程地球物理學報，2009（04）：418-422.