无线电波透视技术在大倾角薄煤层工作面的应用

叶坤辉　张孝建　曹建辉　黄祥宽　陈文生　董 戈

（1.福州华虹智能科技股份有限公司，福建　福州　350003；2.四川广旺能源发展（集团）有限责任公司，四川　广元628017；3.宜宾芙蓉地质勘测设计有限公司，四川　宜宾　644599）



无线电波透视技术在大倾角薄煤层工作面的应用

叶坤辉1张孝建1曹建辉2黄祥宽2陈文生3董 戈3

（1.福州华虹智能科技股份有限公司，福建福州350003；2.四川广旺能源发展（集团）有限责任公司，四川广元628017；3.宜宾芙蓉地质勘测设计有限公司，四川宜宾644599）

摘要：本文基于矿用无线电波透视仪理论研究和现场实践，提出以矿用无线电波透视法为技术手段，在大倾角薄煤层工作面的应用。

关键词：无线电波透视法；电磁波；断层；陷落柱

针对矿井工作面存在的地质构造异常体的探测方法，总体上可以分为地震波和电磁法两大类。其中以透视方法为主，主要包括震波和槽波CT 方法，直流电法、音频电透视和无线电波透视技术等方法。无线电波透视方法技术应用较早，其技术方法成熟，操作便捷，因此在煤矿工作面地质异常探查中发挥着重要的作用。但是，由于技术本身及煤层地质条件的影响，无线电波透技术在大倾角薄煤层工作面的应用中还存在诸多问题，如勘探距离及分辨能力均存在一定的不足之处。笔者通过广旺矿区无线电波透视方法的应用与实践，对电磁波透视技术在大倾角薄煤层中的穿透距离，勘探效果，煤层厚度、构造特征对勘探结果引起的差异等内容进行分析与讨论，力求为无线电波透视技术在大倾角薄煤层工作面的应用提供有效的技术参数，进一步提高工作面内地质构造异常探查的精度和准确率。

1 无线电波透视法基本原理

电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗。因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释。

2 无线电波透视工作原理

工作面电磁波透视法通过天线在一巷发射电磁波，另一巷接收；在介质中任意点的磁场表达式可表示为（1）：

式中：

H0—决定于发射功率和天线周围介质的初始场强；

β—介质对电磁波能量的吸收系数；

r—观测点到辐射源的直线距离；

sinθ —方向性因子，一般可认为等于1。因此（1）可简化为（2）：

表1　SIRT反演吸收系数（CT）成像图异常区特征分析

把坑透工作面划分成有不同吸收系数的若干小单元（像元），每一小单元内可视为介质均匀的。根据多个发射点上所测场强值，利用SIRT 算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques，同时迭代重构技术），计算矩阵方程可以反演各像元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系统反演成像。

3 无线电波透视技术在大倾角薄煤层应用分析

近期在四川广旺矿区，开展了大量的工作面无线电波透视探查，主要包括唐家河1111 工作面、赵家坝1942工作面煤层、代池坝3544工作面。由于煤层厚度、工作面布设、构造发育条件等差异，其探查效果具有一定的差异性。以下结合各个工作面透视结果，对无线电波透视效果进行分析。

3.1 唐家河煤矿1111工作面

1111工作面开采的1号煤层位于T3xj5-1近底部，该煤层常与其上覆的2号（四连子）煤层合并为一层，亦称1～2号（正七连）煤层或统称为1号煤层。1111采面内煤层赋存较稳定，煤层结构复杂，一般夹矸3～7层，煤层厚度1.8m～3.1m，平均厚度为2.4m，煤层厚度变化有东薄西厚的特点，产状为180°～186°∠33°～48°。工作面现场布置图及探测成果图如图1～图2所示。

表2　反演吸收系数（CT）成像图异常区特征分析

表3　探测解释异常区特征分析

3.2 赵家坝煤矿1942工作面

1942工作面所采煤层为9号煤，煤层厚度在0.90m～1.30m，平均煤厚1.15m，夹矸1～2层，煤层厚度与煤层结构都较稳定，煤层平均倾角43.5°，属稳定煤层。工作面现场布置图及探测成果图如图3～图4所示。

3.3 代池坝煤矿3544工作面

3544综采工作面位于304采区＋320m～＋458m阶段石门以东5#煤层中。上部3542工作面已回采完毕，西部的3543工作面未布置。3544综采工作面范围内煤层厚度稳定、结构简单，纯煤厚平均为0.45m，属较稳定煤层。从3544运输巷及回风巷揭露的5#煤层资料分析，煤层的倾角变化较小，在39°～41°。在3544回风巷掘进至5-19以东18m，遇到一褶曲Z2，该褶曲倾伏向为243°，倾伏角为55°；3544运输巷掘进至5-19以东18m遇到一褶曲Z3，该褶曲倾伏向为194°，倾伏角为46°；根据分析Z2与Z3为同一褶曲，3544采煤工作面在回采至该构造区域，煤层顶板局部将会破碎，务必加强支护。探测成果图如图5～图6所示。

结论

（1） 广旺矿区探测实践表明，无线电波透视成像对大倾角薄煤层工作面内异常的探查具有明显效果，但是由于工作面不规则，不能从实测场强直接分析是否为异常，需进一步对吸收系数进行分析。因此，实际探查时需根据不同工作面地质条件及其特点进行数据采集、处理与分析，综合运用多种物性参数，取得良好的探查预报效果。（2）上述探测工作采用的是YDT88矿用无线电波透视仪，可以大透视距特性的低频工作。在以往无线电波透视仪的基础上引进先进的数字通信调制、高速采样、嵌入式系统等技术开发完成。无线电波透视仪器进一步的完善，确立了有效的电磁波场强及吸收系统异常判定标准，进一步提高透视距离及解释精度。（3） 目前赵家坝煤矿1942综采工作面切眼巷道已安全顺利形成，成功预测预报了1942机巷掌子面处揭露的陷落柱构造导水区域的范围。目前通过广旺集团多个工作面的实践与应用，证明针对性设计的无线电波透视仪在大倾角薄煤层不规则工作面可以有效穿透，接收到稳定可靠的信号，预测预报工作面内的构造发育情况。

参考文献

[1]张平松，刘盛东，程学丰.矿井地质安全保障体系中的实用探测技术[J].江苏煤炭，2003（02）：10-11.

[2]吴荣新，刘盛东，肖玉林.工作面无线电波透视实测场强成像分析及应用[J].岩土力学，2010，31（S1）：435-440.

中图分类号：TD823

文献标识码：A