趙昕

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淺談無線電磁波坑透技術在復雜礦井中的應用

趙昕

（山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司，山西 長治 046500）

山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司地質構造條件為中等—復雜，尤以斷層和陷落柱較為發(fā)育。通過介紹坑透技術的基本原理和在金暉隆泰礦9101工作面實際探測情況，表明坑透技術是一種探測工作面內隱伏地質異常體的有效方法，最終證明坑透法可以應用在復雜地質條件礦井中。

坑透技術；地質條件；復雜礦井；9101工作面

煤炭作為當今世界主要能源之一，素有“工業(yè)糧食”之稱，在目前的不可再生能源的消費和生產中占具主導地位。而隨著煤炭被不斷開發(fā)和利用，在生產過程中會經常遇到各種障礙和困難，其中探明礦井的地質構造，保證安全生產成為了最基本的前提。目前世界各國主要采用礦井鉆探、物探和巷探三種技術手段來探測礦井地質構造。其中，礦井物探因其快速、經濟和直觀的特點受到了普遍的重視。而無線電磁波坑透技術（以下簡稱“坑透”）自20世紀70年代引入以來，已被推廣到全國各大煤礦中，并取得了頗為不錯的成果，是一種技術發(fā)展非常成熟的物探手段。因坑透技術具有資料采集方便快捷、儀器簡單輕巧、操作簡易、見效快等優(yōu)點，為目前國內外工作面內地質構造探查最普遍采用的物探手段。

本文以金暉隆泰礦9101工作面為例，該礦采用坑透技術對9101工作面內部的各種地質異常體分布和發(fā)育情況進行探測，根據坑透結果分析工作面內各種構造發(fā)育情況，進一步指導9101工作面的安全生產，最終證明坑透技術在復雜地質條件礦井中能夠起到較好的效果。

1 礦井地質概況

山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司位于山西省沁源縣王和鎮(zhèn)坡底村，設計能力90萬噸/年，井田面積7.666 3 km2。地質構造條件中等—復雜，尤以斷層陷落柱較為發(fā)育。礦井現(xiàn)主采太原組的9+10號煤層，煤層厚度為1.15～3.90 m，平均厚度為2.67 m，為全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，老頂為K2上石灰?guī)r，底板巖性主要為砂質泥巖、泥巖，局部為細粒砂巖，偶見炭質泥巖。

2 坑透基本理論

2.1 坑透技術原理

坑透技術是通過研究高頻電磁波在巖、礦石中的傳播規(guī)律，進而查明地下構造形態(tài)的一種物探方法。由于地下各種巖、礦石電磁參數(shù)（電阻率和介電常數(shù)）與頻散特性等不同，所以電磁波在其中傳播時，巖層對電磁波能量會有不同程度的吸收，電阻率較低的巖層對電磁波的吸收作用較強。因此，在井下探測過程中，當電磁波前進方向上遇到因地質構造存在而造成的煤層不延續(xù)所形成的斷裂界面時，電磁波將在界面上產生反射和折射作用，造成能量的損耗。因此在工作面探測時，如果發(fā)射機發(fā)射的電磁波能量被吸收甚至完全屏蔽，同時接收機接收到的信號顯著減弱或者完全接收不到信號而形成陰影時，即表明電磁波在穿過煤層途中遇到地質異常體（斷層、陷落柱、含水裂隙、煤層變薄區(qū)或其他構造等），形成了透視異常區(qū)，該區(qū)域即為所要探測異常體的位置和范圍，如圖1所示。而坑透技術便是通過研究礦井內各種地質構造、煤層變化和地質異常體等對電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進行地質推斷和解釋。

圖1 電磁波透視法工作原理圖

2.2 坑透技術的地質地球物理基礎

2.2.1 巖礦石電磁參數(shù)與頻散特性

電阻率是決定電磁波在井下吸收介質中傳播特性的主要參數(shù)。介電常數(shù)僅在高頻和高阻地層中才明顯對電磁場產生影響，電介質的介電常數(shù)是指電容器極板間充滿電介質時，電容增大的倍數(shù)，是表征介質在外電場作用下極化程度的物理量。頻散現(xiàn)象指巖、礦石的電磁參數(shù)隨頻率的變化而發(fā)生改變。

巖礦石由多種物質成分組成，在交變電磁場作用下，介質的不同組合對交變電場會呈現(xiàn)一定的阻抗，因此有效電導率和有效介電常數(shù)必然隨頻率不同而變化。

2.2.2 坑透法基本公式

在均勻介質中，電磁波輻射場強用下式進行計算：

式（1）中：為均勻介質中某點的實測場強值；0為根據發(fā)射機發(fā)射功率和天線周圍介質所決定的初始場強值；為介質對電磁波的吸收系數(shù)；為觀測點到輻射源的直線距離。

在進行坑透工作時，要根據工作面需要透視的距離選擇合適的工作頻率。當進行大距離透視時，應使用較低的工作頻率，而透視距離較短時，則采用高頻率進行探測，可以提高分辨能力。

3 CT層析成像技術

本次坑透采用CT層析成像技術進行處理。它的基本原理是：首先將需要探測的區(qū)域按照規(guī)律劃分成一定長寬的數(shù)字網格，不同發(fā)射點的電磁波射線在穿過網格時會產生同一類型的衰減，然后計算得出該網格的數(shù)值。通過分析網格中的數(shù)值，就可確定煤層中異常的區(qū)域。該技術能夠充分利用電磁波在介質傳播過程中的信息，大大提高資料解釋的精確度和可信度，增強了異常區(qū)的識別能力。根據已有探測判斷，條帶狀的異常表現(xiàn)通常為斷層構造，圓形或橢圓形異常表現(xiàn)往往為陷落柱發(fā)育。

4 9101工作面坑透實例分析

4.1 工作面概況

9101工作面位于金暉隆泰煤礦先期開采地段東南部，主采9+10號煤層。井下位置：西起三條大巷，北部、南部為未開采地段，東至礦井邊界。工作面走向長480 m，傾向長120 m，煤層平均厚度2.67 m，上分層0.8 m，下分層1.7 m，夾矸厚0.05～0.2 m。煤層傾角為4°～15°，平均7°。9+10號煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，老頂為K2上石灰?guī)r，直接底為砂質泥巖或泥巖，工作面掘進過程中共揭露4條斷層，落差為0.5～2.2 m不等，陷落柱2個。

4.2 工作方法

在9101工作面透視工作進行前，首先對工作面內所有通電設備進行斷電，并調查清楚工作面兩順槽錨網鎖等金屬支護材料、金屬管道、軌道等主要干擾因素的分布情況，以便在工作時能采取相應措施，減少二次干擾。同時要了解已 揭露的地質構造等資料。

在此基礎上，確定最終的觀測方法，布置工作量，制訂9101工作面坑透的工作程序和時間順序表。

觀測方式采用定點法，即在工作面的一條巷道中將發(fā)射機在一定時間內相對固定，而另一條巷道中接收機在一定范圍內逐點觀測其場強值，又稱定點交匯法，如圖2所示。定點法觀測具有速度快捷、效率高效和易于協(xié)調等優(yōu)點。

9101工作面無線電磁波透視工作，選定膠帶順槽進巷拐點位置處為“0”號點，在回風順槽對應位置開始布置起點，兩順槽內以10米點距向靠近切眼方向布置42個測點。每個巷道設計發(fā)射點9個，總計發(fā)射點累計18個，接收數(shù)據點累計250個。

圖2 定點觀測方式示意圖

4.3 實測資料整理與解釋

4.3.1 初始場強與吸收系數(shù)的確定

在對9101工作面無線電波透視資料進行解釋前，首先要先確定電磁波的初始發(fā)射場強0和工作面煤層衰減系數(shù).根據9101工作面無線電磁波發(fā)射點綜合曲線圖和分析結果，結合兩順槽實際情況和所采用儀器的實際發(fā)射場強范圍與9101工作面煤層的電磁參數(shù)特征，最終確定9101工作面初始發(fā)射場強0為149 db，煤層吸收系數(shù)為0.31.

4.3.2 層析成像圖資料解釋

9101工作面無線電磁波透視層析成像如圖3所示。

通過已知構造揭露情況，對比成果圖中異常分析可以看出：①圖3中膠帶順槽Xt1異常區(qū)與實際揭露位置2～4號點對應，推斷為陷落柱構造的影響；②Xt3異常區(qū)與實際揭露位置12～15號點對應，推斷為陷落柱構造的影響；③Ft3異常區(qū)為膠帶順槽38～39號點位置斷層影響，F(xiàn)t4異常區(qū)為膠帶順槽41號點和回風順槽37號點斷層影響。④膠帶順槽22～24號點位置揭露的斷層落差為0.5 m和0.7 m，在圖上無明顯異常反應。Xt1、Xt3、Ft3、Ft4異常區(qū)與實際揭露的構造相對應，為隱伏構造的判定提供參考依據。Ft1、Ft2和Xt2異常區(qū)推斷為隱伏構造。Ft1、Ft2、Ft4異常呈條帶分布，推斷可能為斷層構造影響，Xt2異常區(qū)呈圈閉狀分布，推斷可能為陷落柱構造影響。

4.3.3 坑透結果

根據圖3，結合已有地質資料與工作面兩順槽實際揭露情況，其工作面成果平面如圖4所示。結論如下：①Xt1、Xt3、Ft3、Ft4異常區(qū)與實際揭露的構造相對應，為隱伏構造的判定提供參考依據。綜合分析推斷Xt1陷落柱長軸長35 m，短軸長11 m，為較可靠陷落柱；Xt3陷落柱長軸長25 m，短軸長16 m，為揭露較可靠陷落柱；Ft3斷層為揭露較可靠斷層，落差=0.8 m；Ft4斷層為揭露較可靠斷層，落差=2.2 m。②Ft1、Ft2、Xt2異常區(qū)為推斷隱伏構造。Ft1、Ft2異常區(qū)呈條帶分布，推斷為斷層構造。其中，F(xiàn)t1斷層落差=1.0 m；Ft2斷層落差=1.2 m。Xt2異常區(qū)呈圈閉狀分布，推斷為較可靠陷落柱，Xt2陷落柱長軸19 m，短軸長14 m。③Ft1、Ft2和Ft4異常區(qū)反映較明顯，異常范圍相對較大，對工作面回采有一定的影響。

圖3 9101工作面無線電磁波透視層析成像圖

圖4 9101工作面推斷解釋成果平面

5 結束語

本文介紹了在復雜地質條件下，隆泰礦采用坑透技術對9101工作面進行探測，不僅探清了工作面兩順槽已揭露構造的發(fā)展情況，同時探明工作面內的隱伏構造，為礦上能夠提前采取措施，保證工作面安全生產提供地質基礎資料，最終證明坑透法在可以應用在復雜地質條件礦井中，且具有較好效果。

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2095－6835（2019）02－0148－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.148

〔編輯：嚴麗琴〕