無線電波透視在煤礦工作面構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

吳燦燦，楊　光，曹　靜，劉向紅，彭傳路

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000；3.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇南京，210000

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無線電波透視在煤礦工作面構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

吳燦燦1,2，楊光3，曹靜1,2，劉向紅1,2，彭傳路1,2

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000；3.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇南京，210000

摘要：為了準(zhǔn)確探測(cè)煤礦工作面中的斷層、陷落柱等構(gòu)造異常體的分布范圍,基于無線電波透視技術(shù)，運(yùn)用場(chǎng)強(qiáng)綜合曲線解釋方法和反演層析成像技術(shù)，包括衰減值層析成像和衰減系數(shù)層析成像，對(duì)山西某煤礦工作面進(jìn)行了探測(cè)研究，查明了工作面中的陷落柱分布范圍和斷層的具體延伸方向及尖滅位置。結(jié)果表明，此方法探查工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造是可行的，探測(cè)精度和分辨率較高，能準(zhǔn)確地劃定構(gòu)造異常的范圍，并且能夠區(qū)分出構(gòu)造類型。

關(guān)鍵詞：無線電波透視；構(gòu)造；特征曲線；層析成像

在煤礦開采過程中，由于斷層、陷落柱、侵入體等隱伏構(gòu)造的存在，容易導(dǎo)致煤礦突水等事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅煤礦的生產(chǎn)安全和礦工的生命安全[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國自2001年以來，至少3200多人死于煤礦突水事故[2]。不僅如此，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造還會(huì)制約綜合機(jī)械化在煤礦工作面上的開采，降低開采效率。因此，為了能夠安全高效地開采煤炭資源，需要對(duì)采煤工作面進(jìn)行探測(cè)，查明其隱伏構(gòu)造，減少甚至避免安全事故的發(fā)生。而無線電波透視技術(shù)具有儀器輕便，探測(cè)距離遠(yuǎn)，方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效探測(cè)采煤工作面中的隱伏構(gòu)造，其應(yīng)用較為廣泛[3]。本文以山西某煤礦工作面為樣本，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，并綜合層析成像技術(shù)和綜合曲線對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理解釋，圈定了采煤工作面中的隱伏構(gòu)造，取得良好的效果。

1方法原理

無線電波透視技術(shù)由前蘇聯(lián)學(xué)者于1929年提出，稱為陰影法，1946年更為現(xiàn)名。隨后，無線電波透視技術(shù)被嘗試用于探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造中[4-5]。

電磁波在煤層中傳播時(shí)，由于各種巖礦石電阻率和介電常數(shù)不同，它們對(duì)電磁波能量的吸收也不同。當(dāng)電磁波遇到斷裂構(gòu)造的界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射，造成能量的損耗。因此，當(dāng)電磁波穿過斷層、陷落柱、侵入體等構(gòu)造時(shí)，致使接收巷道中的電磁波信號(hào)十分微弱，形成透視異常區(qū)[6]。

在不考慮電磁波散射的情況下，接收點(diǎn)收到的電磁波場(chǎng)強(qiáng)度(H)為[7]：

對(duì)接收點(diǎn)接收的電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋處理，主要采用綜合曲線法和層析成像法。綜合曲線法是把同一發(fā)射點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)連成一條曲線，并與同一發(fā)射巷道中所有接收數(shù)據(jù)連成的曲線繪在一張圖上，觀察曲線形態(tài)，根據(jù)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值的不同，判斷出不同位置處可能存在的異常構(gòu)造。層析成像技術(shù)是對(duì)所得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行反演計(jì)算，建立被測(cè)范圍內(nèi)巖體物性參數(shù)分布規(guī)律的圖像，用色塊圖、灰度圖、等值線圖、立體圖等圖像表示出來，從而達(dá)到圈定地質(zhì)異常體的目的。

2應(yīng)用實(shí)例分析

2.1工作面概況

山西某煤礦2201工作面設(shè)計(jì)總長(zhǎng)400 m，寬100 m，煤層厚度變化不大。據(jù)其上層煤開采揭露的地質(zhì)情況可知，在工作面中有一個(gè)陷落柱；另外，在工作面兩側(cè)巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)斷層構(gòu)造。為了查明陷落柱的范圍和工作面內(nèi)斷層的具體延伸方向及尖滅位置，進(jìn)行了井下無線電波透視工作。

2.2施工布置與數(shù)據(jù)采集

本次工作采用中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院生產(chǎn)的WKT—E型無線電波透視儀。采用定點(diǎn)發(fā)射形式，天線頻率為0.5 MHz。

首先，發(fā)射儀器在巷道1中處發(fā)射電磁波，接收儀器在巷道2接收電磁波。發(fā)射儀器在巷道1中從0點(diǎn)開始發(fā)射，然后向右移動(dòng)，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)間距50 m。在同一個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射電磁波，接收儀器都需要接收9～18個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)接收點(diǎn)間距為10 m。為了減少盲區(qū),保證數(shù)據(jù)的數(shù)量，采用雙收雙發(fā)裝置，在巷道2中也發(fā)射電磁波，在巷道1接收。此次工作在兩巷道中共布置18個(gè)發(fā)射點(diǎn)，265個(gè)接收點(diǎn)(圖1)。

圖1　無線電波透視射線圖

2.3探測(cè)結(jié)果與討論

應(yīng)用無線電波透視軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖，如圖2、圖3所示。圖2是巷道2接收點(diǎn)接收的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)繪制的綜合曲線圖，縱坐標(biāo)代表接收點(diǎn)號(hào)，每個(gè)接收點(diǎn)相距10 m，橫坐標(biāo)代表實(shí)際測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)值。綜合曲線整體形狀呈“W”型，最大值為80.4，最小值為5。前端部分和后段部分的場(chǎng)強(qiáng)值較大，說明電磁波在煤層中傳播時(shí)，被吸收較少，基本沒有構(gòu)造異常體的存在；在16和30號(hào)接收點(diǎn)附近，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值較小，說明電磁波在傳播過程中消耗較多，有構(gòu)造異常體的存在。而在22號(hào)接收點(diǎn)處數(shù)值比16號(hào)和30號(hào)數(shù)值大，但比前端和后端的值小，主要是因?yàn)槭艿礁浇惓ｓw的影響所致。

圖3是巷道1接收的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)繪制的綜合曲線

圖2　巷道2接收實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖

圖3　巷道1接收實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖

圖，最大值為40，最小值為3，整體形狀上呈“W”，在16號(hào)和31號(hào)接收點(diǎn)附近數(shù)值較小。綜合曲線圖與圖2較為相似，但有所不同，特別是高值部分，比圖2相差太多，可以確定在16號(hào)和30號(hào)接收點(diǎn)處存在構(gòu)造異常體，但形狀不均勻。因此，在工作面兩側(cè)巷道分別接收的數(shù)據(jù)具有稍微的差異。

把圖3中第7個(gè)發(fā)射點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)單獨(dú)繪成曲線，并模擬出理論曲線(圖4)，可以看出，實(shí)測(cè)曲線成“V”形狀，這是較為典型的異常曲線，主要是因?yàn)橹虚g部分的接收點(diǎn)接收的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)受到異常體吸收，能夠揭露出此處有陷落柱的存在。

圖4 異常區(qū)典型曲線

采用層析成像技術(shù)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，得到直觀明了的層析成像圖，如圖5、圖6所示。

圖5是反演出的工作面層析成像圖，圖中不同的顏色代表電磁波衰減值的大小。圖中用3個(gè)紅色的橢圓圈定了3個(gè)異常區(qū)域，第一個(gè)和第二個(gè)異常區(qū)在圖上顯示為斷續(xù)的顏色較深的圖像，每個(gè)小的區(qū)塊中心衰減值為-20～-24 dB，周圍異常幅度減小，表現(xiàn)為斷層影響區(qū)域，第三個(gè)異常區(qū)為較為集中的深顏色圖像，中心位置衰減值大約為-35 dB，周圍衰減值減小，表現(xiàn)為陷落柱影響區(qū)域。其他區(qū)域未見大范圍的異常。與圖2、3、4所指示的構(gòu)造異常體位置大致相同。

圖6是對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行電磁層析成像反演的衰減系數(shù)圖，通過圖像顏色能看出工作面中各部位的巖礦石和煤對(duì)電磁波的衰減系數(shù)。不同的灰度代表不同的衰減系數(shù)，衰減系數(shù)高，則在圖上的顏色較深。正常情況下層析成像圖上煤層衰減系數(shù)為0.45，綜合考慮，圈定衰減系數(shù)大于0.65的為異常區(qū)，圖中120 m處、170 m和200 m處均大于0.65，可判定為異常區(qū)。在300 m處，衰減系數(shù)甚至大于0.8，且范圍較大。

圖5 衰減值成像圖

圖6　衰減系數(shù)成像圖

根據(jù)圖2～圖6，結(jié)合工作面地質(zhì)資料，可以區(qū)分?jǐn)鄬雍拖萋渲?，并且能確定陷落柱的范圍和工作面內(nèi)斷層的具體延伸方向及尖滅位置。經(jīng)工作面回采地質(zhì)資料驗(yàn)證得知，無線電波透視結(jié)果較為可靠。

3結(jié)束語

對(duì)煤礦工作面構(gòu)造探測(cè)研究，得出以下結(jié)論：

(1)無線電波透視技術(shù)能有效探查出工作面內(nèi)斷層、陷落柱等構(gòu)造，并能圈定出分布范圍。

(2)單發(fā)射點(diǎn)接收數(shù)據(jù)曲線形態(tài)能夠區(qū)分出構(gòu)造類型。

(3)綜合場(chǎng)強(qiáng)綜合曲線解釋方法和反演層析成像技術(shù)，包括衰減值層析圖形和衰減系數(shù)層析圖像，能提高探測(cè)精確度。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.07.029

收稿日期：2016-02-08

基金項(xiàng)目：宿州學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目“皖北八山地區(qū)花崗巖的時(shí)代與成因研究”(2014yyb08);宿州學(xué)院科研平臺(tái)開放課題“高密度電法在工程勘察中探測(cè)采空區(qū)精度的研究”(2014YKF07);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“瞬變電磁法圈定含水區(qū)域精度的研究”(201510379077)。

作者簡(jiǎn)介：吳燦燦(1987-)，江蘇徐州人，碩士，助教，主要研究方向：地球物理勘探。

中圖分類號(hào)：P631

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-2006(2016)07-0109-03