龐龐塔礦回采面無線電波坑道透視探測的設計研究

王 斌

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

1 龐龐塔礦概況

霍州煤電集團龐龐塔礦回采工作面的地表是以侵蝕性黃土梁峁為主，以黃土溝谷地貌中的沖溝為輔。工作面圈定面積是332 619 m2，煤礦井下北面是太佳高速保安煤柱，南面是四條集中下山，西邊是實體煤，東邊是實體煤。該面所采為5號煤層，煤厚6.1 m，煤層傾角28°；走向長653.3 m，采長235 m，面積為153 525 m2，基礎儲量1414 119 t，可采儲量1272 707 t。

2 龐龐塔礦工作面條件

2.1 地質條件

該面所采5號煤層節理發育，煤層結構復雜，煤層中部夾三層碳質泥巖（0.3～0.7），分布在工作面的煤層厚度上下波動較小。工作面的規劃圖中不可避免的經過一條正斷層，其斷層落差為1.5 m，工作面未揭露構造。

2.2 水文地質條件

其工作面開采煤層標高為+510～+650 m，主要從頂板含水狀況、底板含水層狀況與砂巖裂隙水三個方面對其進行分析與研究：

1）頂板含水狀況，二疊系下統山西組砂巖裂隙含水組，主要由K3及多層砂巖層組成，巖性是細-粗粒砂巖，巖性與厚度均呈現較大的變化。在煤礦井田內部，由于二疊系下統山西組沒有出露區域，并且砂巖穩定性較差，因而富水性相對較弱[1]；

2）底板含水層狀況，太原組灰巖巖溶含水層組單位涌水量為0.000 54～0.055 39 L/（s·m），其富水性較弱；奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層組，由于二疊、石炭系含水層之間較厚的泥質巖石與裂隙、巖溶不發育的砂巖、灰巖，都可以看做是隔水層[2]；

3）對砂巖裂隙水、太灰水、奧灰水進行全面分析，依據水文報告資料分析，這三點均呈現出弱富水性，對回采不會產生較大影響[3]。

3 無線電波坑道透視探測工作原理

此次探測運用WKT-E型無線電波坑道透視儀。龐龐塔礦工作面寬度大約是235 m，經煤礦井下探測頻率實驗，選取0.3 MHz頻率開展工作面透視工作。無線電波坑道透視是用來探測順煤層兩個巷道之間的各個類型地質構造異常體。在透視儀工作的時候，發射機和接收機各自位于不相同的兩個巷道中，發射機發射固定頻率的電磁波，接收機在一定范圍內逐點觀察、測量電磁波穿透煤層后剩余場強值[4]。

交替成層狀的含煤地層是一種非均勻介質，電磁波在含煤地層中傳播可以分成垂直層理與平行層理兩個方向，在垂直層理方向其是非均勻介質，在同一個煤層的一定范圍內平行層理方向上可以近似地看作是均勻介質。電磁波透視是在順煤層的兩個巷道或者兩個鉆孔中完成[5]。假設輻射源（天線軸）中點O是原點，在近似均勻、各個相同性質的煤層中，觀測點P至O點之間的距離用r表示，P點的電磁波場強度Hp由下式表示：

式中：H0為在一定的發射功率下天線周圍煤層的最初場強，A/m。β為煤層對電磁波的吸收系數；r為P點到O點的直線距離，m；f（θ）為方向性因子，θ是偶極子軸和觀測點方向之間的夾角，一般用f（θ）=sin（θ）來計算。

在輻射條件不跟隨時間變化的情況下，H0是一個常數，吸收系數β是一個對場強幅值產生影響的主要參數，數值愈大，場強幅值變化就愈大。

礦井電磁波透視技術主要是依據電磁波在煤層中的傳播特點而研發的接收、發送電磁波的一種儀器與資料處理系統[6]。如若發射源發射的電磁波在穿過煤層的過程中，存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌以及富集水的采空區、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便會極大地衰減，進而會形成透視陰影，也就是所謂的異常區[8]。

4 無線電波坑道透視探測過程

此次運用的探測方法是定點法即一個對多個的方法：發射機處在相對固定的位置，接收機在一定范圍內逐個點觀察、測量其場強數值[7]。在煤礦井回采工作面此次探測范圍長度是800 m，布設29個測點，其中各個測點之間的距離為10 m，其中布設的每個儀器的發射點之間的距離都是50 m，并且每個發射點都與11個接收點相對應，如圖1所示[12]。

圖1 定點發射示意圖

5 無線電波坑道透視探測結果

資料處理時選取初始場強為H0=110，衰減系數B=-0.2。采用層析成像法，對探測數據進行計算，形成該工作面CT成果圖。圖像如圖2所示[9]。

結合上述圖像，反映出本次無線電波探測工作對工作面完成了很好的顯示，將數據進行處理，圖上畫圈的四處位置為本次探測較明顯的異常區域，將其稱之為 A1、A2、A3、A4 異常區[10]。對四處異常進行分析：

1）A1異常區影響范圍相對最大，異常范圍最大場強衰減為5～10 dB，推測異常范圍存在隱伏構造；

2）A3異常區影響范圍較小，異常范圍較小，推測異常范圍內部可能存在隱伏構造；

3）A2異常區影響范圍小，異常范圍相對小，根據資料，推測該異常范圍可能存在隱伏構造；

4）A4異常區影響范圍最小，異常范圍最大，根據資料推測該異常范圍可能存在隱伏構造[11]。

圖2 工作面CT成果圖

6 結論

采用無線電波坑道透視探測的方法可以準確判定未采區的地質以及水文地質情況，為該工作面的安全開采提供了保障，為實現高產高效安全開采奠定了基礎。