回采工作面隐伏构造无线电波透视技术精细化探测研究
时间：2022-02-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技与工程 ★
回采工作面隐伏构造无线电波透视技术精细化探测研究
随着煤矿开采深度的增加，面临的地质灾害也越来越复杂,在煤炭开采过程中,断层、陷落柱、含水层、采空区、煤层结构变化等都是煤矿生产过程中常见地质构造体，回采工作面中隐伏地质构造分布不明，给煤矿的安全生产带来极为严重的威胁，在生产过程中遇到的隐藏陷落柱、含水断层等会对煤矿的安全生产带来严重影响，甚至造成严重的人员伤亡和财产损失[1-2]。
现在矿井物探方法中对于工作面隐伏构造探测效果较好的方法主要有无线电波透视仪、地质雷达及槽波，槽波探测工作面构造因操作复杂，设备沉重，成果资料解译难度大难以广泛普及[3]；地质雷达探测精度高，但因电磁波频率高导致传播距离近，无法满足具体工作需求；无线电波透视技术以操作简单、设备轻便、探测精度高等优势受到煤矿系统的普遍重视欢迎[4-5]。但是受制于采煤工作面隐伏地质构造的走向等问题，对于回采工作面无线电波透视技术的常见观测系统一般采用发射点距为50 m、接收点距为10 m的定点法布置方式，对于隐伏地质构造集中区域难以做到精确探测。因此笔者提出采用非均匀间隔布置系统对回采工作面进行系统布置，对于地质构造集中区域，发射点距与接收点距按照实际工作需求尽可能缩小[6-7]，通过对工作面探测进曲线行加密布置，提高探测精度，经反复验证，取得了较好的探测效果[8-10]。
1 无线电波透视技术原理
无线电波透视技术是利用探测目标体与周围介质间的电性差异来研究目标体位置、大小、形态等参数的一种方法，无线电波透视过程中是将发射机与接收机分别位于不同巷道中，发射机在一条巷道中相对固定位置，接收机在工作面另一条巷道中在一定范围内逐点观测其场强值。由于回采工作面煤层与顶底板岩石电性参数的不同，电磁波在煤岩介质中传播时，其能量、衰减程度也各有差异。当电磁波信号在煤巷之间传播时，岩层对电磁波吸收作用较强；煤层电阻率相对较高，对电磁波吸收作用较弱，使得在煤巷中接收的电磁波信号主要来自煤层。当探测区域内存在地质异常体时，电磁波能量就会被其吸收或完全屏蔽，信号显著减弱，形成透视异常，无线电波观测系统布置如图1所示。
图1 无线电波定点法观测系统
交替成层的含煤地层是非均匀介质，电磁波在含煤地层中传播可分解为垂直层理和平行层理方向，在垂直层理方向是非均匀介质，在同一煤层一定范围内平行层理方向上可近似认为是均匀的。电磁波透视是在顺煤层的两巷道中进行。
无线电波透视法只测固定频率的透射电磁波的磁场(或电场)振幅分量。在电磁波射线路径上，介质电磁性质的变化和波阻抗的变化会造成电磁场强度的变化；分析电磁场强度的变化，就可以预测出介质的物性变化。假设辐射源(发射天线轴)的中心点为点O，在近似均匀、各项同性煤层中，观测点P到O点的距离为r，P点的电磁波场强度HP表达如式(1)：
(1)
式中：HP——接收巷道电磁场场强值，A/m；
H0——发射点附近电磁场初始场强值，A/m；
r——发射点到接收点的直线距离，m；
β——煤层对电磁波的吸收系数；
θ——方向性因子，为偶极子轴与观测点方向的夹角，(°)。
其中煤层对电磁波的吸收系数：
(2)
式中：f——电磁波的传播频率，Hz；
ε——介质的相对介电常数；
μ——磁导率，H/m；
σ——电导率，S/m。
电磁波的相对衰减系数η为：
(3)
式中：η——电磁波的相对衰减系数，dB/m;
ΔH——电磁场场强变化值，dB;
Δr——发时点与接收点之间的距离，m。
无线电波透视选择某一固定发射频率，当煤层与岩层介质发生变化，会导致波阻抗发生变化，从而导致煤层对电磁波的吸收系数和接收场强的变化，因此可以根据煤层对电磁波吸收系数和磁场的变化值的大小、曲线形态，结合地质条件来分析、判断异常体的性质，进行综合解释。
2 工程应用
2.1 工程概况
西山煤电有限责任公司西曲煤矿18401工作面位于南四盘区北部，煤层厚度稳定，煤层厚度为3.5～4.8 m，工作面煤层整体倾向西南。煤层结构复杂，局部顶板为炭质泥岩伪顶，直接顶为石灰岩，直接底板为细砂岩，老底为粉砂岩。矿区地质条件复杂，煤层倾角大，赋存条件差，煤层赋存状况不稳定至极不稳定，严重制约煤矿的正常生产。钻孔开钻处及穿过的煤岩层地质构造复杂，工作面探测区走向长870 m，倾向长约215 m，煤层结构复杂。工作面掘进过程中共揭露3条断层，发育4个陷落柱，工作面地表为山谷地形，大部分为黄土覆盖，地表无沟谷，雨季地表水将沿着采动裂隙补给井下，是采空区主要补给水源，对工作面安全回采造成很大影响。因此采用无线电波透视法对回采工作面地质构造进行探测，查明隐伏地质构造的分布范围，为工作面的安全回采提供指导。
2.2 无线电波透视观测系统
为查明西曲煤矿18401工作面内部隐伏地质构造的分布情况，采用中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的WKT-E无线电波透视仪对采煤工作面进行无线电波透视探测，发射机在工作面回风巷，接收装置布置在工作面运输巷，探测完后再将发射装置与接收装置交换巷道。经井下探测频率条件试验，在试验区工作面设置发射频率为1.5 MHz时，接收值较小且不稳定，设置0.5 MHz接收线圈时接收数据更稳定，故选用0.5 MHz频率进行工作面透视工作，在探测工作前设置无线电波透视发射频率为0.5 MHz，接收机频率为0.5 MHz，每隔50 m设置一个发射点，通过地面三维地震资料及矿井打钻资料所揭示工作面内部隐伏地质构造集中区域设计发射点距为25 m，每隔5 m设置一个接收点，以满足探测数据质量需求。为保证探测精度，采用非均匀间距布置发射点及接收点，探测目标区域布置探测点密度较大。勘探参数如表1。
表1 无线电波透视勘探参数
巷道位置测点/个发射距/m接收距/m接收巷 运输巷0～19255接收巷 运输巷20～505010接收巷运输巷51～110255接收巷回风巷0～19255接收巷回风巷20～505010接收巷回风巷51～146255
2.3 成果分析
无线电波透视仪对回采工作面探测时要采取停电措施。对管路、电缆、轨道、开关、水泵等金属所处巷道具体位置要做具体标注。原始数据如图2所示，接收值主要集中分布在38 dB左右，接收数据整体较稳定，根据总体衰减系数η分布情况可知，0～100 m段衰减系数在0.15～0.43范围，100～870 m段衰减系数在0.36～0.43之间，综合曲线完整，变化趋势明显。
图2 无线电波透视接收值曲线图
结合地质资料和相对衰减强弱规律划分异常范围，将0.40<η<0.43区域为相对强衰减区，0.385<η<0.40区域为相对较强衰减区，其他区域为相对正常衰减区域。通过对接收的电磁波数据层析成像处理，共圈定4处衰减较大的异常区域，E1、E2、E3、E4区域电磁波衰减程度最强，穿透性最差，表明区域内煤层连续性较差，如图3所示。
(1)E1异常区位于18401工作面正巷编号510～515测点之间，对应副巷编号10～14测点之间。推断异常区反映的是工作面断层且向工作面延伸。
(2)E2异常区位于18401工作面正巷534～544测点之间，对应副巷34～41测点范围。推断异常区反映的是工作面隐伏断层。
(3)E3异常区位于18401工作面正巷548～551测点之间，对应副巷45～53测点范围，推测工作面内的隐伏陷落柱和副巷揭露的断层向工作面内延伸是造成异常的主要因素，异常区范围有一定延展性。
(4)E4异常区位于18401工作面正巷564～566测点之间，对应副巷67～69测点之间。推测工作面内隐伏陷落柱(E1425)是造成异常的主要因素。
结合矿方提供的三维地震资料和钻探资料，E1异常区为工作面断层导致，且巷道边界已经揭露验证；E2异常区为工作面内隐伏断层导致；E3异常区反映的是工作面内E1429隐伏陷落柱；E4异常区反映的是E1425隐伏陷落柱，在电磁波反映较好的区域煤层完整性相对较好，无隐伏地质构造。对E1、E2、E4区域进行测点加密，E3区域并未做测点加密措施，探测成果显示E1、E2、E4区域分辨率明显较高，异常区连续性好。经矿方打钻验证，E1、E2、E3、E4这4个异常区域很好地验证了打钻成果，为工作面的回采提供了很好的指导作用。因此无线电波透视探测回采工作面隐伏构造时，为保证探测精度，采用非均匀间距布置发射点及接收点，可以取得较好的探测效果。
图3 工作面无线电波透视成果图
3 结论
(1)通过对西曲煤矿某工作面面宽为210 m回采工作面的实际探测，表明在保证有效透视信号的前提下，采用发射频率为0.5 MHz，接收值稳定，可以对工作面进行有效探测。
(2)针对工作面隐伏地质构造集中区域布置无线电波观测系统，采用非均匀间隔布置，对观测点和接收点进行加密布置，提高射线的覆盖密度，多次叠加提高信噪比。结合地质资料推断出的隐伏构造异常区，可以更准确地探测隐伏地质构造的分布范围，为工作面的安全高效回采提供了准确的物探地质资料。
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