張集礦煤層變薄帶多頻率坑透場強曲線圖變化分析

王漢卿 吳榮新

摘要：指出了由坑透產生的綜合曲線圖，在一定程度上能反映出地質異常的性質，也是用于判斷該地質異常體的大小與范圍的依據之一。對不同頻率下煤層變薄帶的綜合曲線圖進行了分析，找出了綜合曲線圖的變化規律與不同頻率間的對應變化關系。

關鍵詞：無線電波透視;煤層變薄帶;多頻率;綜合曲線圖

中圖分類號：TD166

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0241-02

1?引言

無線電波坑透技術，又稱坑道無線電波透視技術。由于不同巖體和煤巖體有著不同的電性參數，當電磁波在不同的煤巖體中傳播時，所吸收的電磁波能量是有差異的[1]。通過對電磁波坑透探測原理的分析及在礦井的實際應用，對探測方法、數據采集的方法、資料處理和解釋及探測效果進行評價，可以證實電磁波坑透在礦井中是一種有效的探查技術[2]。

2?坑透技術的原理

坑透技術是根據電磁波在地下不同巖層中的傳導特性和傳播規律不同，利用其異常來分析解釋地質構造體的存在的一種方法，從而來揭示地下構造的形態[3]。電磁波在地下巖層中傳播時， 由于各種巖礦石電性 （電阻率ρ、介電常數ε等） 不同， 它們對電磁波能量吸收有一定的差異， 電阻率低的巖礦石具有較大的吸收作用。研究煤層與各種巖石及地質構造對電磁波傳播的影響 （包括吸收、反射、二次輻射等作用） 所造成的各種異常， 從而進行地質推斷解釋， 這就是坑道透視法的物理基礎[4]。

在進行試驗時，將WKT儀器的發射機和接收機分別放置于異常體的軌順與運順中，用接受儀器等間距的接受發射來的場強。無線電波透視資料解釋主要參數為實測場強值和煤巖層電磁波能量吸收系數反演圖像（簡稱坑透 CT 法）。實測場強值分析，主要通過實測場強曲線值變化來判斷構造的覆蓋范圍[3，6]。

3?工作區概況

本次探測的區域位于張集礦1610A工作面軌順走向長約1600 m，運順走向長約1570 m;斜長約90～140 m;軌順底板標高-489.5～-448.7 m，運順底板標高-502.3～-462.5 m;煤層平均厚度7.0 m。1610A工作面在運順、軌順和切眼掘進中遇見多條斷層，工作面靠近切眼煤層變薄，靠近切眼位置的240 m范圍內為本次試驗的范圍。

4?工作區布置

根據探測目的和現場實際情況，本次監測工作主要在1610 A工作面里段走向長度240 m，傾向長度平均約90 m。采用無線電波透視技術在軌順、運順巷道內分別發射和接收在機巷共布置4個發射點，對每個發射點在風巷接收13個實測場強值;在風巷也如此，其中發射點間距為50 m，接收點間距10 m，并且采用4種頻率。現場布置圖如圖1所示。

5?探測結果與分析

本次探測的場強值變化范圍不大，最高場強值在70～80 dB之間，最小值僅35～55 dB， 從實測數值來看，背景測試值在10 dB左右，與最高場強值相比，變化不補明顯，說明本次采集數據信噪比較低。采集的數據經過ECT軟件的處理，可以得出的結果如圖2所示。

由圖2可知，該煤層變薄帶該范圍沿煤層走向影響在70 m左右，沿傾向影響長度75 m左右，該異常區的影響范圍剛好在1～8和2～3兩個發射點的射線分布范圍之內，其他發射點并無較大的影響。

這次試驗在軌順與運順分別設置了4個發射點，并采用了88kHz、158kHz、36kHz和965kHz這4種頻率，其在軌順與運順位置下各個發射點的場強曲線圖3（a）～（h）所示。

一般來說，不同煤厚的寬工作面實測場 強曲線和理論場強曲線形態相似，均表現為弧度很小的拋物線，中間略高，兩側略低，煤厚的變化對曲線幾何形態影響很小[5]。通過對比4種不同頻率的場強曲線圖可以看出，在軌順的4個發射點中位于8號發射點所形成的場強曲線圖總體的場強值略低于其他的3個發射點，結合地質資料判斷后，8號發射點會所形成的這樣的場強曲線，基本可以確定為該區域為煤層變薄帶對于電磁波的吸收強度會略大于其他正常區域;處在運順的3號發射點的前5個接收點位分布在切眼處，不能與其他發射點的趨勢相比較，僅比較余下的曲線情況，可以看出3號發射點的采集到的場強數值還是略低于其他發射點，通過對圖3（a）～（h）的觀察，基本可以確定地質發生異常的范圍。

如果比較處在異常位置的軌順8號發射點和運順3號發射點不同頻率下的場強曲線圖，可以得到圖4（a）和4（b）。

通過觀察圖4a可以看出，88 kHz和158 kHz的場強明顯略高于365 kHz和965 kHz的場強;88 kHz和158 kHz的場強曲線的差別不大，基本處于重合狀態，雖然158 kHz中有一個點位的數據變化異常，但是結合地質資料可以判定為受地下不確定因數的影響而造成的讀數偏差;965 kHz的場強曲線與88 kHz、158 kHz和365 kHz的場強曲線變化區別較大，88 kHz、158 kHz和365 kHz的場強曲線較為平緩，總體呈現近似圓弧狀，965 kHz的場強曲線的變化較為劇烈，呈現下降趨勢，可能是頻率過高再加上一些地下的復雜干擾條件所造成的。

圖4b中的前5個點位處在切眼處，呈現出一種下降趨勢，余下的曲線中88 kHz和158 kHz的場強依然比365 kHz和965 kHz的場強略高;88 kHz和158 kHz的場強曲線的差別依然不大，基本處于重合狀態;965 kHz的場強曲線的變化依然較為劇烈，88 kHz、158 kHz和365 kHz的場強曲線較為平緩，總體呈現近似圓弧狀。

6?結論

在對煤層變薄帶的異常存在的條件下，由于圍巖對不同頻率下的無線電波的吸收強度不一，才造成88 kHz和158 kHz的總體場強略高于365 kHz和965 kHz的場強，但是88 kHz、158 kHz和365 kHz場強曲線的變化狀態基本一致，場強曲線變化較為平緩，總體呈現近似圓弧狀，基本可以驗證煤厚的變化對曲線幾何形態影響很小。在進行坑透實驗中進行多頻率探測，有助于找到該條件下的合適頻率，有助于對于結果的分析，本次實驗中的965 kHz就沒有較大的參考價值。

參考文獻

[1] 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.防治煤與瓦斯突出規定[M].北京：煤炭工業出社，2009.

[2] 徐衍和， 董守華， 李東會，等. 無線電波坑透技術在礦井中的研究與應用[J]. 地質學刊， 2007， 31（1）：20～24.

[3] 杜木民. 無線電波坑道透視技術在煤礦井下陷落柱探測中的應用[J]. 煤炭與化工， 2016，39（2）：52～54，58.

[4]李振武.電磁波坑透技術在探測煤礦地質異常體中的應用[J].山東煤炭科技， 2015 （5） ：188～189.

[5] 吳榮新， 肖玉林， 張世闊，等. 工作面煤厚及寬度對坑透綜合曲線圖的影響[J]. 建井技術， 2015（6）：21～24.

[6]孟凡彬.煤系地層下的小析層識別影響因素探討[J].工程地球物理學報，2019，16（3）：259～265.