無線坑透高精度加密測網構造探查技術研究

周 鵬

(霍州煤電集團 技術研究院，山西 霍州 031400)

礦井無線電磁波坑透技術是一種較成熟的回采工作面構造探測技術，根據(jù)電磁波在煤層中的傳播特性，當煤層中存在斷裂構造的界面，構造破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水低電阻率帶等，能對電磁波產生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。因此，當回采工作面內部存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區(qū)、沖刷、煤層產狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質異常體時，接收到的電磁波能量就會明顯減弱，形成透視陰影異常區(qū)。無線坑透技術是霍州煤電各礦井回采工作面地質構造探查的主要手段，而綜采工作面切巷寬度的不斷加大、采面內部隱伏地質構造影響日趨復雜等因素影響，導致現(xiàn)有坑透技術和方法已無法穿透或穿透射線不夠等，造成采面內隱伏構造漏報、誤報等情況發(fā)生，降低了坑透探測準確度。

1 加密測網構造探查

為了提高坑透探測精度，借鑒槽波地震布線方式在地質構造相對復雜的回采面加密測網，并做相關對比分析。常規(guī)無線電坑透探測技術井下工作按50 m一個發(fā)射站，10 m一個接收站，每站接收11個數(shù)值，接收100 m范圍內場強值(見圖1). 加密測網后仍按照50 m發(fā)射站，10 m一個接收站不變，在原來的接收100 m范圍加大至200 m(在條件允許，接收場強數(shù)據(jù)正常的情況下可繼續(xù)加大接收范圍)，每站接收21個數(shù)值(見圖2)，從而有效提升數(shù)據(jù)解析分辨率，其主旨就是通過加密測網布設，達到構造精細控制的目的。

圖1 坑透常規(guī)測網射線布置圖

圖2 坑透加密測網射線布置圖

2 單點加密探測原理

無線坑透是利用無線電波發(fā)射裝置在一順槽巷道發(fā)射以一定頻率的電磁波并在工作面煤層內部傳播，穿透過程中如遇構造界面，介質發(fā)生明顯電性差異時會對電磁波產生折射、反射和吸收，導致另一條巷道接收到的電磁波能量產生明顯減弱，這就會形成透視陰影(異常區(qū))，單點加密探測原理示意圖見圖3.

圖3 單點加密探測原理示意圖

電磁波場強度HP表示為：

式中：

H0—一定的發(fā)射功率下，天線周圍煤層的初始場強，A/m.

β—煤層對電磁波的吸收系數(shù)；

r—P點到O點的直線距離，m；

f(θ)—方向性因子，θ是偶極子軸與觀測點方向的夾角，一般采用f(θ)=sin(θ)來計算。

在輻射條件不隨時間變化時，H0是一常數(shù)，吸收系數(shù)β是影響場強幅值的主要參數(shù)，其值越大，場強變化就越大。吸收系數(shù)與電磁波頻率和煤層的電阻率等電性參數(shù)有直接關系：在同一均勻煤層中，頻率越高吸收系數(shù)就越大，電磁波穿透煤層距離就近；煤層電阻率越低，吸收系數(shù)也越大。

θ表示發(fā)射天線軸與觀測點方向之間的夾角，在條件允許的情況下，通過增大θ來增大觀測范圍、加大觀測數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)交匯分辨度。增量變化如下：

式中：

L—單側接收范圍,m；

n—擴大觀測范圍的倍數(shù)；

D(D′)—發(fā)射天線與觀測點之間的距離,m；

θ—原觀測角度范圍，(°)；

θ′—加密觀測角度范圍，(°).

3 應用實例

3.1 采面概況

霍州煤電集團紫晟煤業(yè)2-101工作面位于北益昌背斜的西翼，工作面北部為一采區(qū)軌道上山、一采區(qū)膠帶上山和一采區(qū)回風上山，南部為井田邊界，西部和東部為未開拓區(qū)域。巷道采用錨網梁支護，巷道內架設有皮帶架子，幫上掛有灑水、排水等管路，主采的2#煤層屬二疊系上下統(tǒng)山西組，煤層為黑色，條痕為褐黑色，瀝青—玻璃光澤，斷口呈貝殼狀或參差狀，有一定的韌性，硬度一般為2～3，內生裂隙較發(fā)育，平均視密度為1.40 t/m3. 煤層直接頂板為細粒砂巖、砂質泥巖，厚0～7.94 m，均厚4.27 m，灰白色，石英為主，含少量暗色礦物及較多煤屑，直接底為砂質泥巖，厚3.59～4.87 m，均厚4.23 m，灰黑色，粉砂質，均勻層理，含云母片及植物莖葉化石，松軟。該工作面地質構造相對復雜，掘進期間工作面順槽共揭露6條斷層。

3.2 探測參數(shù)

1) 頻率選擇。該次探測工作采用WKT-E型無線電波坑道透視儀。2-101工作面寬度約為170 m，根據(jù)切巷寬度，經井下頻率實驗，選用0.5 MHz頻率進行工作面透視工作。

2) 測點布置。該次探測使用定點法(一對多)：發(fā)射機相對固定，接收機在一定范圍內逐點觀測其場強值。布置測點間距為10 m，發(fā)射點間距為50 m，2-101回采面探測范圍長度為730 m，兩巷共布置30個發(fā)射點，146個接收測點，分兩次進行數(shù)據(jù)采集。

3) 首次探測每個發(fā)射點對應6～11個測點(圖4).

4) 二次探測每個發(fā)射點對應11～21個接收點(圖5).

圖4 坑透常規(guī)CT交匯示意圖

圖5 坑透加密測網CT交匯示意圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

1) 物理特征。從電性上分析，不同巖性的地層其一般規(guī)律為：灰?guī)r、煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，黏土巖類最低。即泥巖、黏土巖、粉砂巖等與灰?guī)r、煤層的導電性差異明顯。當存在斷層等構造破碎帶時，煤層與斷層對盤的頂?shù)装迳澳鄮r層產生明顯的電性差異，砂泥巖層對電磁波的吸收強于煤層，形成電磁波能量衰減陰影異常區(qū)。

2) 兩次探測接收數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、完整。探測現(xiàn)場環(huán)境條件較好基本不存在干擾。從兩次坑透原始數(shù)據(jù)及加密測網綜合曲線圖(圖6)可看出，2-101工作面探測曲線變化符合坑透探測規(guī)律。

圖6 加密測網綜合曲線圖

3.4 成果分析

1) 常規(guī)測網圈定3處場強衰減較為集中的異常區(qū)域，分別編號為E1、E2、E3，異常區(qū)影響范圍較大(圖7).

圖7 常規(guī)測網(50 m發(fā)射100 m范圍接收CT圖)

2) 加密測網圈定5處場強衰減較為集中的異常區(qū)域，分別編號為E1、E2、E3、E4、E5，異常區(qū)顯示較為精細，能夠精準控制斷層影響范圍，細化異常影響區(qū)域(圖8).

圖8 加密測網(50 m發(fā)射200 m范圍接收CT圖)

3) 該礦根據(jù)物探異常范圍進行了針對性鉆孔布置，通過鉆探，加密測網所圈定的5個異常區(qū)均得到了驗證，效果較理想(圖9).

經對比分析，加密坑透測網后雖然在縱向上CT異常位置仍有一定的偏差，但在順槽橫向上異常范圍圈定較為準確，橫向誤差偏移距離在15 m以內。表明了加密測網后確實提高了坑透異常區(qū)域的分辨率，達到構造精細控制的目的。

圖9 2-101回采工作面鉆孔布置示意圖

4 結 語

1) 在構造相對復雜的回采工作面采用加密坑透測網射線布置能夠有效提高坑透解釋精度，精細控制構造延展方向及影響范圍。

2) 通過加密測網，可對坑透綜合曲線圖及CT成果圖進行精細把控，細致分析，減小異常區(qū)圈定范圍，精準指定物探異常“靶區(qū)”，有效指導該礦有針對性的編制鉆探設計，減少鉆探工作量。

3) 建議在構造極復雜礦井工作面可以進一步加大接收范圍至300 m、縮小接收點步距為5 m，或縮小發(fā)射間距為25 m. 即：加大接收數(shù)據(jù)量，減少發(fā)射接收步距，以提高坑透解釋精度，從而更為精細化把控回采面內部的隱伏地質構造。

4) 加密布網對儀器測距提出新的要求,因此建議礦井單位根據(jù)實際地質情況做針對性試驗，在條件允許的情況下開展加密測網坑透探測。目前，坑透儀相關廠家均以降低發(fā)射頻率至0.3 MHz以下及提高發(fā)射功率的方式增加測距。

5) 在使用過程中應注意：降低發(fā)射接收頻率(0.158 MHz、0.088 MHz)雖然能夠明顯增加透距，但一定程度上也增加了電磁場強數(shù)據(jù)的失真和不穩(wěn)定性。井下接收過程中甚至達到±15 dB的場強跳躍幅度。因此，在能夠接收到有效電磁信號的情況下，應盡量選擇頻率較高的1.5 MHz、0.5 MHz、0.3 MHz開展現(xiàn)場探測工作。同時，提高發(fā)射功率必須在滿足井下防爆要求條件下開展，避免加大功率造成安全隱患。