無線電波坑透技術在15110回采工作面的應用與驗證

郭洋洋 胡洪濤

中煤昔陽能源有限責任公司 山西晉中 045300

白羊嶺15110回采工作面整體由北向南傾斜，呈波狀褶曲。陽坡莊向斜軸線自15110膠帶運輸順槽1450m處向東南發(fā)展貫穿工作面，工作面1400m-1800m范圍處于陽坡莊向斜軸部區(qū)域，該區(qū)域中西部地層較平緩，東部產(chǎn)狀變化較大，傾角5°-9°；15110回采工作面480m-720m范圍呈穹隆構造形態(tài)，中部地勢較高，兩巷相對較低，且在15110膠帶運輸順槽707m處背斜南側發(fā)育DBF4H＜13m正斷層，斷層面附近煤層產(chǎn)狀變化較大，傾角5-15°；15110膠帶運輸順槽776m處發(fā)育有X9陷落柱；工作面內(nèi)背斜及向斜區(qū)域煤層產(chǎn)狀變化較大，且斷層構造發(fā)育，煤層較為破碎；工作面兩巷掘進過程中，揭露除DBF4斷層外，共計17條斷層，落差1m以下的斷層5條，1-3m的斷層11條，3-5m的斷層1條；此外，根據(jù)15110工作面兩巷鉆孔資料分析，面內(nèi)可能發(fā)育隱伏構造[1]。

地質(zhì)構造已成為制約15110工作面高產(chǎn)高效及煤炭質(zhì)量的主要因素之一。因此，在煤炭開采過程中，必須全面掌握工作面內(nèi)的地質(zhì)構造發(fā)育情況，以便提前采取有針對性的安全技術措施指導生產(chǎn)。為此，特邀請中國煤炭地質(zhì)總局物測隊于 2017年1月，對15110回采工作面進行無線電波坑透探測。其目的在于：通過無線電波坑透技術提前查明15110回采工作面內(nèi)的地質(zhì)構造發(fā)育情況，以便指導工作面安全、高效、經(jīng)濟回采。并對并比分析15110工作面內(nèi)探測結果與實際揭露地質(zhì)構造情況的吻合程度，分析判斷是否可以推廣利用該探測技術查明工作面內(nèi)地質(zhì)構造的發(fā)育情況，為下一步15118工作面回采提供指導。

1 無線電波透視法簡介

1.1 無線電波透視法基本原理

電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對電磁波的能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構造所出現(xiàn)的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其他構造時，波能量被吸收或完全屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、構造及地質(zhì)體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(zhì)推斷和解釋。

1.2 透視工作方法

本次井下探測方法為定點法，定點法是發(fā)射機相對固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點位置上，接收機在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點沿巷道觀測場強值。又稱定點交會法。一般發(fā)射點距50m，接收點距10m。每發(fā)射一點，接收機可相應觀測11-21個點。

觀測基本步驟：

（1）在觀測前，預先安排好觀測約定時間順序，列出時間表格，發(fā)射和接收各持一份；

（2）觀測時，嚴格按照時間表格執(zhí)行，發(fā)射機天線應平行巷道，懸持成多邊形，應保持反射信號穩(wěn)定；

（3）接收天線環(huán)面對準發(fā)射機的方向，即觀測最大值方向。

1.3 使用儀器及工作頻率

地下電磁波衰減的透射異常區(qū)并非單由一次場的吸收所形成的，而且還受很多其他因素的影響。如感應二次場引起的干涉、煤層（或巖層）的不均勻性和各向異性、直達波、巷道的反射及漫反射波，以及煤層頂?shù)装宓膰鷰r波等。所以觀測場強值可能是幾種波的綜合值。結果使異常區(qū)變得模糊，以至于不能準確判定異常體位置，因此，選擇最佳工作頻率是很關鍵的，頻率過高，即使是高阻的巖石也會產(chǎn)生明顯的吸收作用，結果很可能不能突出要尋找的地質(zhì)異常體的異常區(qū)。而地質(zhì)異常體的圍巖卻形成了異常區(qū)；如果頻率過低，則由于一次繞射作用，使得要尋找的地質(zhì)異常體可能被掩蓋。為了得到明顯的異常區(qū)，必須選擇最佳的工作頻率。

本次無線電波透視工作采用YDT88型無線電波坑道透視儀，發(fā)射機和接收機為礦用本質(zhì)安全型。YDT88型無線電波坑道透視儀采用158KHz。

2 無線電波透視成果圖像分析

根據(jù)YDT88礦用無線電波透視儀探測實測場強曲線值變化特征和巖石吸收系數(shù)CT成像圖綜合分析，得出15110工作面內(nèi)有6個透視異常區(qū)，命名為YC1-YC6，詳細見表1。

3 回采實際揭露與坑透成果對比

截至2019年10月中旬，15110工作面已回采完畢。根據(jù)工作面回采期間實際揭露資料與坑透成果對比分析：

工作面0-70m推進范圍內(nèi)，在回采過程中無構造揭露，與YC6異常區(qū)異常特征說明完全吻合，由于15110工作面切眼空巷影響所致。

工作面70-1260m推進范圍內(nèi)，在回采過程中僅揭露FC110-1H=1.5-1.0m正斷層、FC110-2H=0.5m正斷層及X15陷落柱（長軸16m，短軸5m），此范圍未圈定出異常區(qū)域，而在1250m回采范圍內(nèi)僅揭露上述三條小構造，且均對回采影響較小，從反面驗證了坑透成果的準確性[2]。

表1 探測解釋異常區(qū)特征分析

工作面1260-1470m推進范圍內(nèi)，在回采過程中依次揭露F12J04 H＝3.0m正斷層、FC110-3H＝1.0-0.5m正斷層、X16陷落柱（長軸13m，短軸10m）、FC110-4H＝H=1.0-2.0m正斷層、X17陷落柱（長軸43m，短軸23m）、X18陷落柱（長軸12m，短軸9m）、FJ110-2H=1.1-2.0m正斷層，除FC110-3、FJ110-2斷層外，其余構造均對回采影響較大，且F12J04斷層在初始揭露時還伴有煤層厚度變薄、裂隙較為發(fā)育、頂板巖性大面積破碎等現(xiàn)象。該范圍內(nèi)所對應的坑透異常區(qū)為YC5，回采實際揭露與異常特征說明較為一致，并且推斷TX1陷落柱位置也較為準確。

工作面1470-1490m范圍內(nèi)為YC5異常區(qū)與YC4異常區(qū)的交界位置，此范圍內(nèi)無地質(zhì)構造揭露，且坑透未發(fā)現(xiàn)異常，與坑透成果契合度較高。

工作面1490-1630m推進范圍內(nèi)，在回采過程中依次揭露FC110-5H=0.2-0.5m正斷層、X9陷落柱（長軸51m，短軸13m）、FC110-6H=0.2m正斷層、FC110-7H=0.4m正斷層、FC110-8H=0.2-1.0m正斷層、FC110-9H=1.9-3.8m正斷層、X20-1陷落柱（長軸23m，短軸15m）、DBF4H=7-13m正斷層、DBF4-1H=1.0-2.0m正斷層，上述構造均處于YC4異常區(qū)域內(nèi)，除落差小于1m的斷層外，均對回采影響較大，且FC110-9斷層在初始揭露時還伴有煤層厚度變薄、裂隙較為發(fā)育、頂板巖性大面積破碎等現(xiàn)象，與YC4異常區(qū)范圍及特征說明誤差均較小。

工作面1814-2250m推進范圍內(nèi)，在回采過程中依次揭露FC110-10H=1.0m正斷層、FG110-1H=0-1.5m正斷層、DBF3H=1.6m正斷層、FC110-11H=1.0-1.5m正斷層、FC110-12H=1.0-1.5m正斷層、X23陷落柱（長軸47m，短軸16m）、FC110-13H=1.0-1.5m正斷層，上述構造均分布在YC3、YC2及YC1異常區(qū)域內(nèi)（因YC3、YC2、YC1三個異常區(qū)分布較為密集，所以在本節(jié)進行統(tǒng)一敘述），均對回采造成了較大影響，并且與YC3、YC2、YC1異常區(qū)范圍及特征說明誤差均較小。此外，YC2、YC3與YC4異常區(qū)之間形成的無異常區(qū)域范圍，并未于該范圍內(nèi)揭露任何地質(zhì)構造，進一步驗證了坑透成果的準確性。

4 結語

通過15110回采工作面無線電波坑透探測成果與回采對比分析，得出無線電波坑透技術能夠準確探測回采工作面內(nèi)地質(zhì)異常體的存在的結論。但是否為斷層、陷落柱或是其它地質(zhì)構造所造成的異常還不能準確判明，需要結合鉆探驗證排查、加強工作面地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)預報等手段，進行動態(tài)解釋，通過實際探采對比，進一步提高資料解釋的精度。例如X20-1陷落柱、X18陷落柱、X16陷落柱及X15陷落柱，包括FC110-9正斷層及F12J04正斷層在初始揭露時伴有的煤層厚度變薄、裂隙較為發(fā)育、頂板巖性大面積破碎等現(xiàn)象，并未能僅通過坑透探測提前準確解釋。但可以通過對異常區(qū)進行進一步鉆探排查驗證而確定構造情況，然后再有針對性地制定工作面過地質(zhì)異常區(qū)安全技術措施，以保證礦井安全、高效生產(chǎn)，杜絕因構造不明而施工造成的工程、材料浪費[3]。

綜上，無線電波坑透技術可以在白羊嶺煤礦一些構造復雜工作面進行推廣應用（比如15118工作面），以確保工作面的集約、高效、安全回采。