无线电波透视技术在探测瓦斯异常中的应用
时间：2022-01-10 来源：中国煤炭杂志官网 分享：无线电波透视技术在探测瓦斯异常中的应用
瓦斯灾害作为煤矿五大灾害之首，对于煤矿安全生产有着严重的威胁，如何有效预测突出危险区已成为目前的研究重点。随着近年来的快速发展，无线电波透视技术在煤矿中应用日益广泛，尤其是在地质构造及水文地质研究中应用效果较为理想，目前无线透视技术又逐渐应用于瓦斯预测中。河南焦煤能源有限公司演马庄矿地质与水文条件复杂，煤与瓦斯突出灾害严重，因此如何有效准确地预测煤层突出危险区是演马庄矿瓦斯治理工作中急需解决的问题。
通过探测采煤工作面中的隐伏瓦斯地质异常区域，对整个工作面的瓦斯地质异常做整体分析评价，结合工作面的各瓦斯参数和钻孔及验证情况资料，总结电磁波透视异常与瓦斯地质异常之间的相关性，为利用电磁波透视异常预测瓦斯地质异常提供试验依据和基础，也能更好地科学指导生产，确保工作面安全回采。
1 工作面地质概况
27131下段工作面介于二七下段采区中部的27131下段回风巷与27131下段运输巷之间，北部为27131回风巷和井田边界，南部为27131下段运输巷，东部为井田边界，西部为27131回风巷。
27131下段工作面开采二1煤层，煤层埋深257.1～287.1 m，平均煤层厚度为4.07 m，煤层倾角7°～13°，平均倾角11°。二1煤层结构简单，以粉煤为主，中下部夹有块炭，局部含有薄层夹矸及炭质泥岩伪顶。
27131运输巷在断层F147附近钻孔测定瓦斯含量为3.18 m3/t，工作面中部接近切眼的3个钻孔测定瓦斯含量为14.88 m3/t、16.45 m3/t和15.98 m3/t，27131下段切眼原始瓦斯含量13.27 m3/t。根据F147断层的开放性分析，对于F147断层的下盘煤层来说，在距断层附近的煤层瓦斯大量解吸，使煤层瓦斯含量急剧下降而成为低压区，无煤与瓦斯突出危险。工作面中部接近切眼处，煤层瓦斯含量大于《防止煤与瓦斯突出规定》突出临界值8 m3/t，也大于焦作矿区始突瓦斯含量13 m3/t，因而27131下段工作面存在煤与瓦斯突出危险。
27131下段工作面瓦斯含量较大，在回采之前不仅仅要布设钻孔进行钻探，还要布置瓦斯抽采孔进行工作面内部的瓦斯抽采工作。钻孔布置需尽量均匀，这样对无线电波的透视工作产生的干扰较小。
2 无线电波透视基本原理
无线电波透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，一侧发射、一侧接收。
煤层中断裂构造的界面、构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波穿越煤层过程中，存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷带、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影(异常区)，如图1所示。
井下探测方法有同步法和定点法两种方式。同步法是发射天线和接收天线分别位于不同巷道中，同时等距离移动，逐点发射和接收，较少采用。定点法是发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在相邻巷道一定范围内逐点沿巷道探测场强值。无线电波透视定点法发射与接收范围如图2所示。
图1 无线电波透视原理示意图
图2 无线电波透视定点法发射与接收范围示意图
3 井下探测工作
3.1 探测仪器和探测频率
本次探测工作采用中煤科工集团重庆研究院有限公司研发的WKT-E型(大透距)无线电波透视仪。该仪器工作稳定，探测范围广、精度高，操作方便，已经在全国50多个大型企业推广使用，是目前矿井物探仪器中比较成熟的一种物探设备。
3.2 探测方法
采用分辨率较高的定点扫描法进行探测。定点法就是发射机相对固定，接收机在另一对应巷道一定范围内逐点接收其场强值的一种工作方法。
布置测点前须对工作面有一定了解，如工件面的位置和平面形状、掘进中揭露的构造、煤层厚薄变化、瓦斯和含水等情况。
3.3 测点布置
本次探测接收测点间距设定为5 m，发射点间距设定为50 m，每个发射点对应21个接收测点。
27131下段工作面透视工作在27131下段运输巷和27131下段回风巷之间进行，共布置171个接收测点，16个发射点。其中，27131下段运输巷测点编号为0～74；27131下段回风巷测点编号为0～95，如图3所示。点号由巷道开端标记。
图3 27131下段工作面现场施工布置及射线分布图
3.4 探测条件及实际探测
探测时回采工作面停电，对管路、电缆、铁轨、开关、刮板车等金属导体未作任何处理。
27131下段工作面实际探测情况：完成1.5 MHz和0.5 MHz两个频率探测，工作耗时4 h；完成了0.3 MHz频率探测，工作进行2 h。每个发射点发射时间为3 min，接收时间为3 min，换发射点时间为2 min，每个发射点工作循环为5 min，其中27131下段运输巷0号由于对应接收点较多，所以发射时间为5 min。
4 探测结果分析
4.1 电磁波探测数据分析与评价
本次探测仪器工作稳定，接收数据较稳定、较完整，探测数据大于背景场强(小于10 dB)10 dB以上，如表1所示。工作面内部钻孔分布均匀，影响相对较小，巷道局部存在金属体干扰，对探测结果有影响，但是影响较小，进行了数据保留。
表1 27131下段采集数据概况
工作面频率/MHz背景场强/dB最小场强/dB最小场强与背景场强差值/dB平均值/dB最大衰减值/dB27131下段1.5<528.3>2066.1-150.5<1066.7>5083.3-150.3<1058.1>4085-15
4.2 探测成果
从本次探测工作可以看出1.5 MHz、0.5 MHz和0.3 MHz 3个频率的无线电波透视对27131下段采煤工作面的异常区域有较好的反映，为不漏掉异常，经过计算机数据处理，把场强衰减异常取为-5 dB，圈定3处较为集中的异常区，分别编号为一号、二号和三号异常区，如图4所示。
(1)一号异常区。27131下段回风巷测点65～95号(切眼附近150 m范围内)，27131下段运输巷测点40～74号之间(切眼附近170 m范围内)，该异常对于周围煤层而言是衰减较大的区域。该区域与27151采煤工作面的一号异常区具有一定的相似性，结合27151工作面一号异常区的分析与该工作面的地质资料，可知自停采线至切眼方向，瓦斯富集条件逐渐变好，瓦斯地质异常区逐渐发育。因此，初步推断分析该处异常可能主要为煤层厚度与瓦斯浓度共同变化引起的电磁波衰减异常，即是瓦斯地质异常引起的无线电波异常。同时，在3个频率的物探成果CT图中均可发现中间存在区域A电磁波衰减较为严重，因此分析该处应该存在其他地质异常，根据地质资料分析可知，该处可能为煤岩夹矸薄煤层分布区，具体区域为27131下段回风巷测点77～88号(距切眼35～90 m范围内)，27131下段运输巷测点50～61号之间(距切眼65～120 m范围内)。
(2)二号异常区。1.5 MHz频率的响应比较明显，而其他两个频段无明显响应。其区域为27131下段回风巷测点42～44号(离探测开端处210～220 m，即离巷道的拐点处210～220 m范围内)，27131下段运输巷测点20～22号之间(离探测开端处100～110 m，即离巷道的拐点处100～110 m范围内)，该异常场强衰减最大达到-10 dB。该区域与27151采煤工作面的二号异常区具有一定的相似性，结合巷道掘进过程中的地质资料，分析推断可能是地层负压引起的物探微弱异常区。
(3)三号异常区。1.5 MHz和0.5 MHz两频率都具有一定响应，区域分布在27131下段回风巷测点0～26号(探测开端处130 m左右，即离巷道的拐点处130 m)，27131下段运输巷测点0～1号之间(探测开端处5 m左右，即离巷道的拐点处5 m范围内)。一方面，煤层厚度保持在5～6 m，而瓦斯含量为3～4 m3/t，相对较低，因此不可能是煤层变化和瓦斯含量所造成；另一方面该处紧邻F147大断层，可能是其影响引起的场强衰减异常，但是大断层并未从该区域延伸，因此相对于27151工作面的衰减区域稍小；同时，由于发射点与接收点的偏移较大，也不排除因此而造成异常，并具有一定的条带性。
图4 27131下段工作面不同频率下无线电波透视探测CT图
综合分析3个频率的异常，3个频率识别效果总体一致，但在很多细节上具有一定的差异。对于附近的F147大断层和中部异常的响应，三者效果迥异，从1.5 MHz的高频到0.3 MHz的低频，识别效果越来越弱。由于高频无线电波波长相对较短、分辨率比较高，具有比较理想的识别能力，因而电磁波异常响应比较理想，而低频电磁波波长较长、分辨率较差，对于该区域的响应并不理想，此外不排除由于发射点和接收点偏移较大的原因造成的干扰。对于切眼附近的异常区域，三者也均可很好的识别，尤其是高频的1.5 MHz由于波长短、分辨率高，电磁波响应更为理想，这依旧能够说明高频的识别分辨能力相对较好一些。
4.3 瓦斯地质异常探测
通过3个不同频段的无线电波透视工作可见，在切眼附近无线电波存在一定程度的衰减，形成电磁波衰减异常区，该区域无断层揭露，煤层厚度变薄、瓦斯浓度变小，可见电磁波信号对于瓦斯地质异常区具有一定的响应。瓦斯富集条件自停采线处到切眼越来越好，瓦斯地质条件逐渐复杂，浓度逐渐变高，电磁波也呈现出衰减越来越强的趋势，因此无线电波透视异常与瓦斯地质异常两者间具有明显的正相关性。同时，根据3个频率的不同响应，可知0.5 MHz频率的分辨率要优于0.3 MHz的，而1.5 MHz的效果要优于0.5 MHz的，即高频信息对于瓦斯地质异常具有更好的分辨能力，但也更易受外界人文环境影响干扰。
5 回采验证及应用情况
截至目前，演马庄矿已经回采完27131下段工作面，根据回采情况，可知工作面的探测分析结果与实际地质情况的一致性。
(1)一号异常区。采前分析该处为瓦斯地质异常区，并且考虑煤层变薄、存在强衰减区，推断强衰减区为煤岩夹矸区域。在回采过程中，该处煤层的瓦斯浓度较大，同时煤层变薄、在衰减较强区域存在煤岩夹矸现象，瓦斯地质条件复杂、异常，与采前的分析结果一致。
(2)二号异常区。采前分析该处可能是地层负压引起的物探微弱异常区。在回采过程中，并未发现明显的地质异常，考虑可能是在回采过程中煤层负压逐渐释放的因素。
(3)三号异常区。该处异常区并未回采，工作面停采线在该区域右侧，但F147大断层的影响较为明显，可以明确是断层结构引起的物探异常。
6 小结
(1)使用WKT-E型无线电波透视仪，利用定点扫描无线电波透视法，采用1.5 MHZ、0.5 MHz和0.3 MHz 3个频率完成了27131下段工作面的无线电波透视工作，能够有效探测识别采煤工作面内的已知的断层等地质异常带和瓦斯富集异常区等隐伏地质异常。
(2)共探测出3处异常区。27131下段采煤工作面一号异常区可能是瓦斯地质异常区，其中中间衰减较强的区域可能为煤岩夹矸薄煤层；二号异常区可能是地层负压引起的物探微弱异常区域；三号异常区应该是受附近F147大断层影响的异常区。27131下段工作面经过回采都得到了进一步的验证，与采前的分析结论基本一致。
(3)无线电波透视工作的3个频率识别效果有所差异，1.5 MHz分辨率较高，0.5 MHz其次，0.3 MHz分辨率较低。虽然高频的透射能力相对较弱，易受干扰，但依旧能够穿透本次探测的3个工作面，因此高频的1.5 MHz是本次探测的首选频段。
(4)电磁波异常区域反应的断层异常和瓦斯地质异常严重威胁安全生产。由于演马庄煤矿井田地质构造情况十分复杂，建议对异常区域打钻验证，同时做好安全防范工作，保障矿井安全生产。同时，加强瓦斯地质观察，采取必要的安全保障措施，保证煤矿安全生产。
[1] 雷东记，李成武，孟慧等.演马庄矿井瓦斯地质规律研究[J].中国煤炭,2010(8)
[2] 宁书年,张绍红,杨峰等.无线电波层析成像技术及在矿井坑透中的应用[J].煤炭学报,2001 (5)
[3] 岳洪波,李东会.矿井小构造与瓦斯的坑道无线电波透视法应用分析[J].矿业快报,2007 (4)
[4] 梁庆华,吴燕青,宋劲.无线电波坑道透视探测的定性分析及其应用[J].重庆大学学报,2010(11)
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