周 鵬

(霍州煤電集團(tuán) 技術(shù)研究院，山西 霍州 031400)

礦井無(wú)線電磁波坑透技術(shù)是一種較成熟的回采工作面構(gòu)造探測(cè)技術(shù)，根據(jù)電磁波在煤層中的傳播特性，當(dāng)煤層中存在斷裂構(gòu)造的界面，構(gòu)造破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水低電阻率帶等，能對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。因此，當(dāng)回采工作面內(nèi)部存在斷層、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(shí)，接收到的電磁波能量就會(huì)明顯減弱，形成透視陰影異常區(qū)。無(wú)線坑透技術(shù)是霍州煤電各礦井回采工作面地質(zhì)構(gòu)造探查的主要手段，而綜采工作面切巷寬度的不斷加大、采面內(nèi)部隱伏地質(zhì)構(gòu)造影響日趨復(fù)雜等因素影響，導(dǎo)致現(xiàn)有坑透技術(shù)和方法已無(wú)法穿透或穿透射線不夠等，造成采面內(nèi)隱伏構(gòu)造漏報(bào)、誤報(bào)等情況發(fā)生，降低了坑透探測(cè)準(zhǔn)確度。

1 加密測(cè)網(wǎng)構(gòu)造探查

為了提高坑透探測(cè)精度，借鑒槽波地震布線方式在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜的回采面加密測(cè)網(wǎng)，并做相關(guān)對(duì)比分析。常規(guī)無(wú)線電坑透探測(cè)技術(shù)井下工作按50 m一個(gè)發(fā)射站，10 m一個(gè)接收站，每站接收11個(gè)數(shù)值，接收100 m范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)值(見圖1). 加密測(cè)網(wǎng)后仍按照50 m發(fā)射站，10 m一個(gè)接收站不變，在原來(lái)的接收100 m范圍加大至200 m(在條件允許，接收?qǐng)鰪?qiáng)數(shù)據(jù)正常的情況下可繼續(xù)加大接收范圍)，每站接收21個(gè)數(shù)值(見圖2)，從而有效提升數(shù)據(jù)解析分辨率，其主旨就是通過加密測(cè)網(wǎng)布設(shè)，達(dá)到構(gòu)造精細(xì)控制的目的。

圖1 坑透常規(guī)測(cè)網(wǎng)射線布置圖

圖2 坑透加密測(cè)網(wǎng)射線布置圖

2 單點(diǎn)加密探測(cè)原理

無(wú)線坑透是利用無(wú)線電波發(fā)射裝置在一順槽巷道發(fā)射以一定頻率的電磁波并在工作面煤層內(nèi)部傳播，穿透過程中如遇構(gòu)造界面，介質(zhì)發(fā)生明顯電性差異時(shí)會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射和吸收，導(dǎo)致另一條巷道接收到的電磁波能量產(chǎn)生明顯減弱，這就會(huì)形成透視陰影(異常區(qū))，單點(diǎn)加密探測(cè)原理示意圖見圖3.

圖3 單點(diǎn)加密探測(cè)原理示意圖

電磁波場(chǎng)強(qiáng)度HP表示為：

式中：

H0—一定的發(fā)射功率下，天線周圍煤層的初始場(chǎng)強(qiáng)，A/m.

β—煤層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；

r—P點(diǎn)到O點(diǎn)的直線距離，m；

f(θ)—方向性因子，θ是偶極子軸與觀測(cè)點(diǎn)方向的夾角，一般采用f(θ)=sin(θ)來(lái)計(jì)算。

在輻射條件不隨時(shí)間變化時(shí)，H0是一常數(shù)，吸收系數(shù)β是影響場(chǎng)強(qiáng)幅值的主要參數(shù)，其值越大，場(chǎng)強(qiáng)變化就越大。吸收系數(shù)與電磁波頻率和煤層的電阻率等電性參數(shù)有直接關(guān)系：在同一均勻煤層中，頻率越高吸收系數(shù)就越大，電磁波穿透煤層距離就近；煤層電阻率越低，吸收系數(shù)也越大。

θ表示發(fā)射天線軸與觀測(cè)點(diǎn)方向之間的夾角，在條件允許的情況下，通過增大θ來(lái)增大觀測(cè)范圍、加大觀測(cè)數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)交匯分辨度。增量變化如下：

式中：

L—單側(cè)接收范圍,m；

n—擴(kuò)大觀測(cè)范圍的倍數(shù)；

D(D′)—發(fā)射天線與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離,m；

θ—原觀測(cè)角度范圍，(°)；

θ′—加密觀測(cè)角度范圍，(°).

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 采面概況

霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)2-101工作面位于北益昌背斜的西翼，工作面北部為一采區(qū)軌道上山、一采區(qū)膠帶上山和一采區(qū)回風(fēng)上山，南部為井田邊界，西部和東部為未開拓區(qū)域。巷道采用錨網(wǎng)梁支護(hù)，巷道內(nèi)架設(shè)有皮帶架子，幫上掛有灑水、排水等管路，主采的2#煤層屬二疊系上下統(tǒng)山西組，煤層為黑色，條痕為褐黑色，瀝青—玻璃光澤，斷口呈貝殼狀或參差狀，有一定的韌性，硬度一般為2～3，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，平均視密度為1.40 t/m3. 煤層直接頂板為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚0～7.94 m，均厚4.27 m，灰白色，石英為主，含少量暗色礦物及較多煤屑，直接底為砂質(zhì)泥巖，厚3.59～4.87 m，均厚4.23 m，灰黑色，粉砂質(zhì)，均勻?qū)永恚颇钙爸参锴o葉化石，松軟。該工作面地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，掘進(jìn)期間工作面順槽共揭露6條斷層。

3.2 探測(cè)參數(shù)

1) 頻率選擇。該次探測(cè)工作采用WKT-E型無(wú)線電波坑道透視儀。2-101工作面寬度約為170 m，根據(jù)切巷寬度，經(jīng)井下頻率實(shí)驗(yàn)，選用0.5 MHz頻率進(jìn)行工作面透視工作。

2) 測(cè)點(diǎn)布置。該次探測(cè)使用定點(diǎn)法(一對(duì)多)：發(fā)射機(jī)相對(duì)固定，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值。布置測(cè)點(diǎn)間距為10 m，發(fā)射點(diǎn)間距為50 m，2-101回采面探測(cè)范圍長(zhǎng)度為730 m，兩巷共布置30個(gè)發(fā)射點(diǎn)，146個(gè)接收測(cè)點(diǎn)，分兩次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3) 首次探測(cè)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)6～11個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖4).

4) 二次探測(cè)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11～21個(gè)接收點(diǎn)(圖5).

圖4 坑透常規(guī)CT交匯示意圖

圖5 坑透加密測(cè)網(wǎng)CT交匯示意圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

1) 物理特征。從電性上分析，不同巖性的地層其一般規(guī)律為：灰?guī)r、煤層電阻率值相對(duì)較高，砂巖次之，黏土巖類最低。即泥巖、黏土巖、粉砂巖等與灰?guī)r、煤層的導(dǎo)電性差異明顯。當(dāng)存在斷層等構(gòu)造破碎帶時(shí)，煤層與斷層對(duì)盤的頂?shù)装迳澳鄮r層產(chǎn)生明顯的電性差異，砂泥巖層對(duì)電磁波的吸收強(qiáng)于煤層，形成電磁波能量衰減陰影異常區(qū)。

2) 兩次探測(cè)接收數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、完整。探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件較好基本不存在干擾。從兩次坑透原始數(shù)據(jù)及加密測(cè)網(wǎng)綜合曲線圖(圖6)可看出，2-101工作面探測(cè)曲線變化符合坑透探測(cè)規(guī)律。

圖6 加密測(cè)網(wǎng)綜合曲線圖

3.4 成果分析

1) 常規(guī)測(cè)網(wǎng)圈定3處場(chǎng)強(qiáng)衰減較為集中的異常區(qū)域，分別編號(hào)為E1、E2、E3，異常區(qū)影響范圍較大(圖7).

圖7 常規(guī)測(cè)網(wǎng)(50 m發(fā)射100 m范圍接收CT圖)

2) 加密測(cè)網(wǎng)圈定5處場(chǎng)強(qiáng)衰減較為集中的異常區(qū)域，分別編號(hào)為E1、E2、E3、E4、E5，異常區(qū)顯示較為精細(xì)，能夠精準(zhǔn)控制斷層影響范圍，細(xì)化異常影響區(qū)域(圖8).

圖8 加密測(cè)網(wǎng)(50 m發(fā)射200 m范圍接收CT圖)

3) 該礦根據(jù)物探異常范圍進(jìn)行了針對(duì)性鉆孔布置，通過鉆探，加密測(cè)網(wǎng)所圈定的5個(gè)異常區(qū)均得到了驗(yàn)證，效果較理想(圖9).

經(jīng)對(duì)比分析，加密坑透測(cè)網(wǎng)后雖然在縱向上CT異常位置仍有一定的偏差，但在順槽橫向上異常范圍圈定較為準(zhǔn)確，橫向誤差偏移距離在15 m以內(nèi)。表明了加密測(cè)網(wǎng)后確實(shí)提高了坑透異常區(qū)域的分辨率，達(dá)到構(gòu)造精細(xì)控制的目的。

圖9 2-101回采工作面鉆孔布置示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 在構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜的回采工作面采用加密坑透測(cè)網(wǎng)射線布置能夠有效提高坑透解釋精度，精細(xì)控制構(gòu)造延展方向及影響范圍。

2) 通過加密測(cè)網(wǎng)，可對(duì)坑透綜合曲線圖及CT成果圖進(jìn)行精細(xì)把控，細(xì)致分析，減小異常區(qū)圈定范圍，精準(zhǔn)指定物探異?！鞍袇^(qū)”，有效指導(dǎo)該礦有針對(duì)性的編制鉆探設(shè)計(jì)，減少鉆探工作量。

3) 建議在構(gòu)造極復(fù)雜礦井工作面可以進(jìn)一步加大接收范圍至300 m、縮小接收點(diǎn)步距為5 m，或縮小發(fā)射間距為25 m. 即：加大接收數(shù)據(jù)量，減少發(fā)射接收步距，以提高坑透解釋精度，從而更為精細(xì)化把控回采面內(nèi)部的隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

4) 加密布網(wǎng)對(duì)儀器測(cè)距提出新的要求,因此建議礦井單位根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況做針對(duì)性試驗(yàn)，在條件允許的情況下開展加密測(cè)網(wǎng)坑透探測(cè)。目前，坑透儀相關(guān)廠家均以降低發(fā)射頻率至0.3 MHz以下及提高發(fā)射功率的方式增加測(cè)距。

5) 在使用過程中應(yīng)注意：降低發(fā)射接收頻率(0.158 MHz、0.088 MHz)雖然能夠明顯增加透距，但一定程度上也增加了電磁場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)的失真和不穩(wěn)定性。井下接收過程中甚至達(dá)到±15 dB的場(chǎng)強(qiáng)跳躍幅度。因此，在能夠接收到有效電磁信號(hào)的情況下，應(yīng)盡量選擇頻率較高的1.5 MHz、0.5 MHz、0.3 MHz開展現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作。同時(shí)，提高發(fā)射功率必須在滿足井下防爆要求條件下開展，避免加大功率造成安全隱患。