無線電波坑道透視法在探測不同煤厚的地質構造的應用及探討

＊趙煊煊 王麗軍 尉琦輝 楊俊超

（1.山西省煤炭地質物探測繪院有限公司 山西 030600 2.山西宏鼎科技有限公司 山西 030001）

前言

由于綜采工作面內隱伏的地質構造（陷落柱、斷層）、含水體等隱蔽致災因素在礦井生產過程中給煤礦的生產與安全帶來較大的潛在風險，同時也影響到生產計劃、資源回收率及煤炭開采效益，故建議在綜采工作前采用地球物理勘查方法對綜采工作面內的隱蔽致災因素進行探查工作。目前對綜采工作面內隱蔽致災因素常見的物探方法有無線電波坑道透視法、礦井瞬變電磁法、音頻電穿透法、槽波地震勘探法等。對綜采工作面中地質構造的探測，目前常用的有無線電波坑道透視法和槽波地震勘探法，綜合比較可知，無線電波坑道透視法施工設備輕便、數據采集迅速、探測距離大、探測效果較為顯著、成本低、性價比高，因此在市場中應用較為廣泛。

1.工作原理及解釋方法

電磁波在地下巖層傳播時，由于各種巖、礦石電性的不同，對電磁波能量吸收不同。因此，電磁波穿過礦井下綜采工作面煤層途中遇到巖層發生時，波能量會隨之發生變化，接收到的電磁波信號會變弱或接收不到信號，呈現透視異常區域。

無線電波坑道透視資料在綜采工作面探測地質構造時主要采用場強對比和CT成像技術相結合的方法進行分析，結合井下實際揭露情況進行對比解釋。

(1)場強對比法

場強綜合曲線圖：單個發射點對應接收的實測場強值、理論場強值和衰減系數值繪制在同一個坐標軸，橫軸為接收點號，間距為接收點距。

交匯平面圖：在綜采工作面工程布置圖上，按探測的點距在兩巷標定發射點和對應的接收點。將接收異常點與對應的發射點連線，繪制出的范圍便為異常體的平面位置，如圖1所示。

圖1 無線電波透視曲線交匯法解釋示意圖

(2)CT成像法

把綜采工作面劃分成為不同吸收系數的若干小單元（像元），每個小單元內可視為介質相對均勻。多個發射點上對場強分別進行多重觀測，可以得出綜采工作面內每個單元的場強值。

2.坑透法探測時的儀器參數選擇和工作布置

(1)煤層厚度的劃分

0.5～1.3m為薄煤層、1.3～3.5m為中厚煤層、3.5～8.0m為厚煤層。

(2)儀器參數的選定

使用的無線電波坑道透視裝備為YDT88礦用無線電波透視儀，設定頻率分別為88kHz、158kHz、365kHz、965kHz，靈敏度（信噪比3:1）：＜0.06μV。頻率的選擇根據工作面寬度進行試驗工作來選擇。

(3)工作方法布置

采用定點法：發射機相對固定，接收機在指定范圍內逐點觀測其場強值，接收點間距為10m，發射點間距為50m。每一個發射點，接收機可相應的接收11個點。

3.山西的應用實例

(1)在厚煤層中的探測

①綜采工作面概況。山西省大同市某礦22602工作面，回風順槽走向長度約1800m，運輸順槽走向長度約2018m，傾向長度230m，22號煤層，厚度為7.45～10.25m，平均厚度為9.5m；結構簡單，屬穩定全區可采煤層。根據礦方提供資料得知，在掘進期間實際揭露多條斷層，如圖2所示，十字線圈定范圍為探測工作面范圍。

圖2 探測工作面范圍圖

②實測場強分布圖及反演吸收系數分布圖分析。圖3為22602工作面回風順槽與運輸順槽實測場強分布圖，等值線數值為實測場強值，26～54dB代表了場強由低到高的變化過程。

圖3 22602工作面實測場強分布圖

從圖3可以看出，對應的場強較低值分別位于22602綜采工作面0～100、680～750和1380～1470測點位置。其中（150～160、790～820、900～920和1350～1360）測點靠近回風順槽呈現低場強電性特征反映。

如CT成像圖所示（圖4），工作面內電磁波吸收系數大體介于0.0175～0.0295，根據實測數據和巷道揭露的實際地質情況對衰減系數較大的區域進行地質分析，探測結果結合井下巷道實際揭露構造以吸收系數0.0235為閾值，吸收系數β≤0.0235時推斷此范圍內無構造發育，當β＞0.0235時推斷此范圍內有構造發育。圖4中反演吸收系數值0.0175～0.0295（β）代表了吸收系數值的遞增趨勢。

圖4 22602工作面反演吸收系數分布圖

從圖4可看出，0～150測點區域反演吸收系數相對較高，1350～1450測點吸收系數值次之，640～820測點和880～970測點吸收系數值相對較小。

根據實測場強分布圖和反演吸收系數圖綜合分析，在22602綜采工作面0～150、640～820、880～970和1350～1450測點位置均出現低場強、強吸收區。

在回風順槽和運輸順槽0～150m、640～820m、880～970m、1350～1450m處均揭露有斷層且吸收系數β＞0.0235，因此本次的探測結果與井下揭露的斷層的位置基本一致。

(2)在中厚煤層中的探測

①綜采工作面概況。山西省晉城市某礦15205工作面，走向長度為660m，傾向為176m。15號煤層厚度為2.3～3.4m，平均厚度為3.1m；煤層傾角為1°～7°，平均傾角為3°。由礦方提供資料得知，在運輸順槽210～290m處揭露一條正斷層，走向N4°E，傾向N83°W，傾角約30°，落差約5m，如圖5所示。

圖5 探測工作面范圍圖

②實測場強分布圖及反演吸收系數分布圖分析

如圖6所示，等值線數值為實測場強值，40～70（dB）代表了場強由低到高的變化過程。

圖6 15205工作面實測場強分布圖

根據C T 成像圖所示（圖6），反演吸收系數β≤0.363時推斷范圍內無構造發育，當存在導致電磁波折射、反射、強吸收的地質構造時，其吸收系數β＞0.363。最后根據實測數據特征和巷道揭露的實際地質情況對吸收系數較大的區域進行地質分析。

根據（圖6）15205工作面實測場強分布圖和（圖7）15205工作面反演吸收系數分布圖綜合分析，發現15205回采工作面210～290測點之間出現相對低場強、強吸收區。

圖7 15205工作面反演吸收系數分布圖

在運輸順槽210～290m內揭露有斷層且吸收系數β＞0.363，因此本次的探測結果與井下揭露的斷層的位置基本一致。

(3)在薄煤層中的探測

山西省晉中市某礦100306回采工作面，走向長度為705m，寬度為146m，10號煤層煤厚為0.90～1.05m，平均厚度為0.95m，結構簡單，局部含1層灰色砂質泥巖夾矸，厚度為0.2～0.5m。根據礦方提供的資料得知，在運輸順槽160～180m揭露水平斷交橢圓形，長軸約29.5m，短軸約13m的陷落柱。如圖8所示，十字線圈定區域為探測范圍。

圖8 探測工作面范圍圖

圖9中等值線數值為實測場強值，22～66dB代表了場強由低到高的變化過程。

圖9 100306工作面實測場強分布圖

CT成像圖上不同顏色代表電磁波在煤層的衰減系數。經過對數據處理后的特征，結合礦方提供的相關地質資料分析認為：吸收系數β≤0.022時推斷探測范圍內無大型構造存在，當存在導致電磁波折射、反射、強吸收的地質構造時，其吸收系數β＞0.022。如圖10所示，靠近回風順槽120～140、310～350、410～450和540～590號測點出現低場強、強吸收異常區。靠近運輸順槽70～120、280～320和500～520號測點之間出現低場強、強吸收異常區。

圖10 100306工作面反演吸收系數分布圖

在運輸順槽160～180m內揭露有陷落柱且吸收系數β＞0.022，因此本次的探測結果與井下揭露的陷落柱的位置不一致。

4.結論

盡管近年來地球物理方法和技術不斷更新和提高，綜采工作面內地質構造的探測仍然是影響煤礦生產的重要隱蔽致災因素之一，提高探測精準度，為礦井安全高效生產提供相應的技術服務，始終是地球物理工作的主要目標。

綜上所述，得出以下結論：

（1）無線電波坑道透視法作為一項對地質構造的探測方法，采用不同的探測參數，受煤層及圍巖的影響，得到的場強和吸收系數，差異較大。

（2）無線電波透視法對垂向或斜交工作面地質構造的探測較平行工作面走向構造的效果較好。

（3）無線電波透視法對地質構造發育較簡單的綜采工作面的探測效果較好。

（4）無線電波透視法對在山西的厚煤層和中厚煤層中探測效果相對較好，在薄煤層中受圍巖電磁效應的影響，探測效果相對較差。