煤層夾矸厚度變化無線電坑透技術(shù)規(guī)律研究

周 鵬

（霍州煤電集團(tuán)技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

采煤工作面經(jīng)常存在煤層厚度變化或煤層分層（夾矸層變厚）情況，煤厚及夾層厚度變化是否是導(dǎo)致煤巖層電性差異的影響因素，亟待物探人員給出一個明確的定論。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）驗(yàn)證煤層結(jié)構(gòu)變化是影響物探成果的主要因素之一。

（2）煤層厚度變化對坑透場強(qiáng)數(shù)據(jù)影響程度及變化規(guī)律。

（3）為礦井安全回采、提高回采率提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

煤層夾矸厚度變化探測主要利用的是無線電波透視基礎(chǔ)原理，用來探測順煤層兩巷之間的各種地質(zhì)構(gòu)造異常體。工作時，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于不同巷道中，發(fā)射機(jī)發(fā)射固定頻率的電磁波，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測電磁波穿透煤層后剩余場強(qiáng)值。交替成層的含煤地層是非均勻介質(zhì)，電磁波在含煤地層中傳播可分解為垂直層理和平行層理方向，在垂直層理方向是非均勻介質(zhì)，在同一煤層一定范圍內(nèi)平行層理方向上可近似認(rèn)為是均勻的。電磁波透視是在順煤層的兩巷道或兩鉆孔中進(jìn)行。煤層中斷裂構(gòu)造的界面，構(gòu)造引起的煤層破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水低電阻率帶等都能對電磁波產(chǎn)生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波穿越煤層途徑中，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(chǎn)狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質(zhì)異常體時，接收到的電磁波能量就會明顯減弱，這就會形成透視陰影（異常區(qū)）。礦井無線電透視技術(shù)，就是根據(jù)電磁波在煤層中的傳播特性而研制的一種收、發(fā)電磁波的儀器和資料處理系統(tǒng)。

3 礦井概況

3.1 實(shí)驗(yàn)選點(diǎn)

干河礦+80 m 西翼軌道大巷一聯(lián)巷口至2181巷口1#、2#煤層逐漸分層，夾矸厚度由0.4 m 逐漸增大到1 m 以上，最大夾矸厚度達(dá)到2 m，現(xiàn)場條件完全符合實(shí)驗(yàn)所需地質(zhì)條件，因此選擇該處為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)共計探測400 m，兩巷間距40 m，選用1.5 MHz、0.5 MHz 及0.3 MHz 頻率實(shí)驗(yàn)，接收步距為10 m。

3.2 地質(zhì)概況

+80 m 西翼軌道巷、皮帶巷范圍地表形態(tài)屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發(fā)育，黃土覆蓋厚度75～85 m，基巖厚485～595 m。井下標(biāo)高：軌道巷為84.4～85.1 m；煤層覆存情況：實(shí)驗(yàn)段煤層為1/3 焦煤，分上分層1#及下分層2#煤層。+80 m 西翼軌道巷一聯(lián)巷口至煤層分叉線106 m，分叉線右側(cè)155 m 范圍內(nèi)1#、2#煤層層間距應(yīng)小于1 m（夾矸厚度在0.4～1 m 之間），分叉線左側(cè)245 m 范圍1#、2#煤層層間距大于1 m（夾矸厚度在1～2.5 m 之間），夾矸厚度自右向左呈逐漸遞減趨勢，實(shí)驗(yàn)區(qū)域范圍內(nèi)1#煤層平均厚度為1.8 m，2#煤層平均厚度為2.1 m。夾矸厚度變化見圖1。

圖1 夾矸厚度變化范圍示意圖

3.3 探測位置及條件

（1）探測位置。探測區(qū)域位于+80 m 西翼軌道巷，自一聯(lián)巷口至前方400 m 范圍，以10 m 間距布置41 個測點(diǎn)。一聯(lián)巷口為0#測點(diǎn)，終點(diǎn)為40#測點(diǎn)。

（2）探測條件。左側(cè)0～11#測點(diǎn)為1#、2#煤層合并層，夾矸厚度為0.4 m 以下，右側(cè)19～40#測點(diǎn)為1#、2#煤層分層，夾矸厚度在1 m 以上。11～19#測點(diǎn)為過渡區(qū)域，夾矸厚度由0.4 m 逐漸增大至1.0 m。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

（1）發(fā)射設(shè)計。+80 m 軌道巷設(shè)計發(fā)射點(diǎn)1 個測點(diǎn)，發(fā)射站點(diǎn)位于15#測點(diǎn)處。

（2）接收設(shè)計。+80 m 皮帶巷設(shè)計接收點(diǎn)41個測點(diǎn)，接收點(diǎn)間距10 m。

（3）頻率選擇。分別選擇0.3 MHz、0.5 MHz、1.5 MHz 三個頻率探測。

（4）施工技術(shù)要求。一是發(fā)射線框必須垂直于巷道方位，架設(shè)于巷道中心；二是接收線圈面與巷道位置需保持一致，盡可能遠(yuǎn)離皮帶、膠輪車、電纜、排水管路等干擾物；三是發(fā)射電流必須保持在60 mA 以上，并確保發(fā)射電流穩(wěn)定，站間電流誤差不得大于1 mA。保證儀器發(fā)射初始場強(qiáng)一致。煤層分叉線探測施工測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 煤層分叉線探測施工測點(diǎn)布置示意圖

5 實(shí)驗(yàn)成果

通過采集三個頻率41 個坑透測點(diǎn)范圍內(nèi)實(shí)測場強(qiáng)數(shù)值，經(jīng)細(xì)化對比分析表明：煤層夾矸厚度變化對無線坑透場強(qiáng)數(shù)據(jù)有較為明顯的反映。夾矸增厚對無線坑透場強(qiáng)數(shù)據(jù)有一定的吸收作用，實(shí)測場強(qiáng)偏低。實(shí)測原始數(shù)據(jù)見表1，場強(qiáng)值對比分析示意圖見圖3。

圖3 坑透射線場強(qiáng)值對比示意圖

表1 坑透不同頻率探測場強(qiáng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

續(xù)表:

6 結(jié)語

（1）探測范圍左側(cè)0～11#測點(diǎn)場強(qiáng)值均在50～60 dB，右側(cè)19～40#測點(diǎn)場強(qiáng)值均在30～40 dB（1.5 MHz、0.5 MHz、0.3 MHz 三個頻率），明顯反映出煤層合并層場強(qiáng)大于分層場強(qiáng)，夾矸增厚對電磁波有一定的吸收作用，吸收值在10～20 dB 左右。

（2）11～19#測點(diǎn)范圍以15#發(fā)射點(diǎn)為中心對應(yīng)觀測兩側(cè)場強(qiáng)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示1.5 MHz 頻率發(fā)射點(diǎn)左側(cè)場強(qiáng)值大于右側(cè)7～17 dB（11#、18#測點(diǎn)為現(xiàn)場皮帶開停干擾數(shù)據(jù)，排除），反映夾矸厚度大場強(qiáng)值小，夾矸厚度與坑透接收場強(qiáng)值成反比關(guān)系。

（3）三個頻率對探測均有一定反映，由于本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)兩條巷道間距僅40 m，因此1.5 MHz 高頻效果相對于其他兩個低頻率，效果相對更明顯。

（4）探測切巷寬度僅為40 m，1.5 MHz 頻率反映相對明顯，后期選用切巷寬度相對較大的巷道進(jìn)行0.5 MHz、0.3 MHz 頻率實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證分層合并層低頻場強(qiáng)變化規(guī)律。

（5）軌道巷為全封閉無法進(jìn)行多點(diǎn)發(fā)射，僅在218 聯(lián)巷口布置了一個測點(diǎn)，因此后期在條件允許的情況下選用多個發(fā)射點(diǎn)發(fā)射，驗(yàn)證規(guī)律的可靠性。

綜上所述，采煤工作面煤層夾矸厚度變化會導(dǎo)致煤巖層電性差異，進(jìn)而影響無線電波坑透場強(qiáng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了煤層結(jié)構(gòu)變化是影響物探成果的主要因素之一。