無線電波透視技術在回采工作面地質異常體探測中的應用

趙 毅

(晉能集團有限公司晉城分公司,山西 晉城 048000)

煤礦回采工作面常因未能提前探明陷落柱、斷層、沖刷帶等地質異常體而導致生產銜接失衡,影響開采效率[1]。隨著煤炭產業“減、優、綠”轉型升級,回采工作面開采透明化、智能化的需求日益強烈,對回采工作面精細化探測提出了更高的要求。無線電波透視技術以其經濟效益高、多頻率可選、透視距離大、抗干擾能力強等優點,逐漸成為使用最為廣泛的探查回采工作面地質異常體的技術手段[2-5]。

本文以晉能集團某礦9102回采工作面為研究對象,應用YDT88無線電波透視儀對其內部地質異常體發育情況進行探測,結合場強吸收系數CT圖和實測場強曲線對異常區做出地質解釋,為礦井生產提供準確地質預測預報,確保工作面安全高效開采。

1 無線電波透視技術原理

電磁波在地下巖層中傳播時,由于巖層電性不同,它們對電磁波能量的吸收有一定差異,電阻率低的巖層具有較大的吸收作用。另外,地質異常體的界面會對電磁波產生折射、反射等作用,致使電磁波能量衰減和損耗。因此,如果電磁波在穿越煤層的途徑中遇到與煤層電性不同的陷落柱、斷層等地質異常體,電磁波能量就會被其吸收或完全屏蔽,信號顯著減弱,形成透視異常。通過對透視異常情況進行分析,即可獲得地質異常體發育特征[6]。

無線電波透視技術采用偶極子天線發射,假設發射天線中點O為原點,在近似均質煤層中,任意觀測點P到點O的距離為r,在此條件下求解介質中的波動方程,可得P點的電磁波場強度HP為:

HP=H0r-1e-β rsinθ.

式中:H0為在一定的發射功率下天線周圍煤層的初始場強,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;sinθ為方向性因子,θ為偶極子軸與觀測點方向的夾角,(°)。

2 回采工作面探測

2.1 工作面概況

9102回采工作面位于沁水煤田晉城礦區,由91021巷、91023巷及切眼圈定,走向長1 300 m,傾向寬180 m。回采煤層為石炭系太原組9#無煙煤,煤層結構簡單,煤厚1.1～2.3 m,煤層中間有0.2～0.5 m厚夾矸。地面三維地震資料顯示，該工作面內存在兩個陷落柱,且其中一個在掘進過程中已經部分揭露,為進一步查清陷落柱發育規模與形態,確保工作面安全高效回采,需對其進行精細化探測與分析。

2.2 探測方案

電磁波在煤層中的傳播速度與頻率有關,如果工作頻率過高,則波長小,分辨率就高,有利于提高異常體的顯示度,但透視距離小;如果工作頻率過低,則波長大,衰減速度慢,趨膚效應小,透視距離遠,但因一次繞射作用使得“透視異常”可能被弱化而模糊。為了較好地突出“陰影”區,考慮工作面規模和產狀,采用 YDT88無線電波坑透儀進行探測,設置365 kHz作為信號激勵頻率。圖1為9102工作面無線電波透視射線示意圖。

圖1 9102工作面無線電波透視射線示意圖Fig.1 Schematic diagram of radio wave perspective rays on 9102 working face

如圖1所示,本次探測采用一發一收式進行數據采集。于91021巷布置發射天線,91023巷布置接收天線,由切眼向巷口方向依次發射和接收。設計發射測點間距為50 m,接收測點間距為10 m。單條順槽發射測點27個,除第1個發射測點和第27個發射測點對應6個接收測點外,其余各發射測點均對應11個接收測點,單次發射接收合計獲取287個場強數據。91021巷完成發射工作后,調換發射天線和接收天線,再次進行數據采集,兩順槽共獲取574個實測場強值。

為了避免電力干擾對電磁波的影響,根據發射接收測點數量和順槽長度,結合以往施工經驗,施工時需確保工作面周邊停電160 min。同時,施工選在掘進配套設備全部退出而回采設備未安裝期間進行,由此減少鐵器對電磁波的干擾。

2.3 數據分析

2.3.1場強吸收系數CT圖

利用CT技術解釋坑透資料的基本原理是將坑透工作面劃分成有不同吸收系數的若干單元,每一個小單元可視為均勻介質。根據實測場強值,利用SIRT算法(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques,同時迭代重構技術),計算矩陣方程即可以反演各單元吸收系數值,再借助Surfer軟件插值功能實現工作面吸收系數反演CT成像,該方法對地質異常體橫向識別具有重要意義[7-8]。場強吸收系數越大,表明該處煤層遭受破壞越嚴重,地質異常體越發育[9];反之,則煤層越完整。圖2為9102工作面場強吸收系數CT圖。

圖2 9102工作面場強吸收系數CT圖Fig.2 CT image of field strength absorption coefficient of 9102 working face

由圖2可知,9102工作面煤層完整區場強吸收系數小于0.03,但同時存在2處高值異常,其吸收系數均大于0.03。初步分析認為,自切眼向巷口方向380～480 m(YC1)和660～800 m(YC2)處存在地質異常體。

2.3.2實測場強曲線

YDT88無線電波透視儀在365 kHz頻率探測該工作面時,其初始場強為99.3 dB,傳播過程中受煤層等地質體吸收,正常區域實測場強值在25～44 dB之間。同時,與場強吸收系數CT圖中高值異常區大體相對應位置同樣出現2處低值異常。圖3為順槽實測場強曲線。

圖3 順槽實測場強曲線Fig.3 Measured field strength curves of gateways

如圖3所示,YC1場強值介于0～29 dB之間,低場強值區域相對集中,且曲線形態呈陷落柱典型的“V”字形,由此推斷YC1處發育有陷落柱;YC2場強值介于4～30 dB之間,曲線形態亦呈 “V”字形,與YC1不同之處在于其低場強值區域連續性差,比較分散,結合91023巷掘進中已揭露部分陷落柱,推斷YC2區存在陷落柱,同時不能排除小型斷層存在。綜上,YC1和YC2處存在地質異常體,回采期間須加強該區域地質災害防治工作。

3 驗證情況

9102工作面回采過程中實際揭露2個陷落柱和1條斷層,如圖4所示。

圖4 9102工作面實際揭露陷落柱示意圖Fig.4 Schematic diagram of exposed collapse columns of 9102 working face

由圖4可知，陷落柱X1對應YC1,陷落柱X2和斷層F1對應YC2。X1呈橢圓狀,長軸95 m,短軸20 m,位于距切眼390～460 m處;FI位于91021巷一側,距切眼660～690 m處,斷距1.9 m;X2亦呈橢圓狀,長軸50 m,短軸25 m,位于距切眼700～770 m處。未圈異常區煤層發育完整,未發現其他地質異常體。由此可見,實際揭露情況與數據分析解釋結果有較好的對應關系。

4 結論

1)YDT88無線電波透視儀在365 kHz頻率下工作時，性能穩定,可實現對180 m寬工作面內部地質異常體的有效探測。

2)9102工作面煤層完整區場強吸收系數小于0.03,實測場強值在25～44 dB之間。通過綜合分析場強吸收系數CT圖和場強曲線,可以對陷落柱發育特征做出判斷,有效指導礦井安全回采。