无线电波透视法对矿井隐蔽不良构造体的探测应用

王向东，尚 慧

（1.晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部赵庄煤业，山西 晋城 048000；2.晋城职业技术学院，山西 晋城 048026）

煤矿隐蔽地质灾害是指由于自然地质作用或人为因素使煤矿生产地质环境恶化，并造成矿井生命财产损失或资源、环境严重破坏的灾害事件。按照造成灾害的原因，煤矿隐蔽地质灾害可分为以下几个类型：一是采空区隐患灾害，包括由此造成的水害、有毒有害气体、地表塌陷致建筑物受损等；二是井下水害，包括顶板充水层水害、煤层底板承压水水害以及构造水害等；三是隐蔽型地质构造，包括不良发育的断层、陷落柱等；四是其他地质灾害，包括矿震、滑坡等。目前我国煤矿存在储量多、分布广、影响大、隐蔽灾害隐患突出等特点，并且存在上升的趋势，给矿井正常生产带来一定威胁。

晋城唐安煤矿经过几十年的矿井开采，已经形成了分布广泛、大小不一的工程区或采空区。早期小窑开挖无设计、无图纸、无记录，对原始地质资料中关于不良构造的范围和状态没有完整、详细的记录和数据。这些不良地质体势必会给该矿正常生产带来一定隐患，其中无论是构造裂隙发育程度、地质构造的复杂程度、小煤窑及老空水的影响和威胁程度都是较为突出的。为了防止和减少地质灾害事故，就要做到未雨绸缪，提前对采区大小构造进行超前探测和预警，探明构造的位置、范围及通道，以便有针对性地调整采掘工程设计和防治水工作，将矿压、突水对矿井带来的安全威胁降到最低。

一、无线电波透视法原理及方法

（一）原理概述

物探（地球物理）勘查是隐蔽致灾地质因素勘查的重要手段。目前，用于矿井地质灾害隐患物探勘查的方法很多，主要包括地震类方法（如浅层地震、瑞雷波）、电法类方法（如高密度电法、瞬变电磁法、电法CT、电测探法、中间梯度法等）。无线电波透视法（简称CT法），属于物探勘查中主要的电法类勘探方法之一，近年来应用十分广泛，尤其是对井下全空间算法解释和处理工作面内部小构造问题都有很多独特的优势。

电磁波在人工激发下，向地下岩体等量传播，由于各种岩、矿石不均一性的影响，特别是电性的差异，导致电磁波在经过它们时能量发生损耗。当波在前进过程中遇到不完整的构造，如节理、断层、岩溶区等，会在其变化带上形成反射和折射面，影响波的正常传递，形成损耗。因此，在煤矿井下，利用无线电透视仪从工作面一侧发射电磁波，使其穿过其内部地质构造体时，在另一侧能接收到的电磁信号可能会大打折扣,甚至完全监测不到，我们称之为电透异常。研究采区煤系地层内各种地质异常对电磁信号的损耗程度，就可以进行煤矿井下基础地质情况和地质灾害推断和解译。

（二）工作方法

矿井无线电波透视法针对工作面内部探测，施工设计一般在两条相对巷道间进行，如在运输顺槽布设发射装置，透过煤岩层稳定输出同一频率的电磁波，在回风顺槽通过接收装置观测中途电场场强数值。接收仪器将电磁波在不同介质中传播信号的强弱快慢记录下来，观测点根据巷道长度多点布控，尽量选择安放在不影响通行和周围干扰源小的地点。观测方式分为同步和定点两种，同步法要求装置发射与接收端在对应巷道等距分布，逐个点位操作，在实际中较费人工和时间，较少采用。（见图1）

图1 无线电波工作面同步发射与接收示意图

定点法是先在一条巷道固定几个发射位置（一般每隔50m布点），再安排在对应巷道从头至尾逐点观测。每一发射点，接收方可相应观测10～20个点。（见图2）施工前，先根据探测工作面实际规模由操作两方通过对讲通讯设备确定观测点位，在观测前，预先安排好观测时间顺序，列出时间表格，发射和接收各持一份；实施观测计划时，两方严格按事先约定时间表操作，注意发射端天线与巷道对准角度，如无特殊需求一般为平行向，线框设置为多边形，发射过程一定保证信号能稳定持续输出；接收天线法向平面对准发射端朝向。

图2 无线电波透视法定点法工作原理示意图

二、探测实例研究

（一）研究对象工程地质概况

研究案例唐安井田位于山西省晋城矿区西北部，共划分四个盘区。位于西部的三盘区在现有采掘活动中，发现大量的构造异常体。本例中工作面开采煤层为3号煤，地层厚度32.76～63.18m，顶板主体为中细粉砂岩，底板以泥岩与K7砂岩共层，煤层平均厚度3.2m。（见表1）该生产区域虽然经测试上部矿压显示不大，但已经揭露的断裂构造、陷落柱和薄煤层等缺陷还是较多的，且周围采空区对其形成径向包围，岩体所受围压促使其内部节理不断扩展和发育，有全面导通不良构造体的危险。

表1 煤层情况一览表

（二）探测实施过程

本次探测基于该矿3301工作面的进风巷和回风巷展开，探测区域内工作面长约980m+438m，面宽为220m。主要研究任务是对回采工作面内部的煤层赋存情况进行精细探查，并验证工作面顺槽及切眼已揭露隐伏小断层、煤层减薄带发育情况，预测其在采面内的分布及影响范围，为工作面顺利回采提供依据。

1.探测准备

（1）主要探测参数选择

由于该方法实施的理论依据为电磁波在煤岩层中的传播和衰减异常，而电磁波变化异常区（俗称“阴影”异常区）会受地下未知区域很多因素共同叠加产生：如电磁波在关断期间产生的感应二次场引起的干涉、煤岩层的物质分布不均一性、空巷对反射波的散射作用、以及顶底板的面波等干扰波，难以帮助我们准确辨别电磁异常位置；而仪器所选电流、电压参数主要根据岩石组合、工作面大小限制，无法做出较大调整，只有选择好仪器发射频率才是解决干扰波问题的关键。为了凸显地质异常的真正取值区间，在下井进行正式观测之前，需要对研究目标进行反复的参数测试。经过对工作面模量和岩石电性特征实验解释，最终确定158KHz的仪器发射频率为本例中实际工作参数。

（2）作业环境干扰排除措施

3301工作面巷道和岩体内部有许多人工设施设备，都是金属材质，在实际探测过程中会对无线电波的传导造成一定影响。如锚杆、锚网、工字钢、支架等，对电磁波的传播有一定引流作用；而底板铺设的轨道、刮板输送机，与物探仪器距离最近，有很强的电磁吸收作用。通过对3301工作面的部分铁器干扰接近试验数据对比，发现只要将接收天线高于或距离干扰体1.2m之外，产生二次场的影响范围就可通过后期解译有效去除。

2.观测系统布置

根据观测目的和3301工作面实际情况，在运输顺槽共布置了20/8个发射点，对每个发射点在回风顺槽设置11个接收点；同时，也在回风顺槽布置了同样多的发射点位，相对巷道设置相同数量的接收天线。其中发射点间距为50m，接收点间距10m。（见图3～4）

图3 工作面一切眼工作面双向无线电透视射线分布图

图4 工作面二切眼双向无线电透视射线分布图

为了一次性获取高质量数据，本次探测设计在工作面内采用双发双收形式，接收点距10m，发射点距50m。发射与接收点以1:11比例在工作区域覆盖，发射天线与电缆线保持1.2m间距。为确保资料后期解释科学，施工严格按照《矿井物探工作管理办法》进行，对现场所有采集点位进行7%的数据质量抽查，经验证本次观测数据真实可靠；从对本次探测任务的场源反馈质量监控结果来看，样本总体上实测场强值在45～60db，最小值7db。从数值来看，背景干扰源不高，在15～20db之间；且工作面内显示有较大的场强变化特征，代表样本内部有异常反应，说明本次探测结果信噪比高，数据质量相对可靠。

（三）资料处理与解释

经过两级软件反演，得到工作面实测场强曲线变化、场强叠加成像和SIRT法叠代成像图结果。成像图中数据值大小用不同色标表示，其中暖色调为低电磁波吸收数值，冷色调为高值。分析实测场强曲线变化（见图5～8）：一切眼13～22#点区间（距一切眼停采线110m～220m）场强值偏低，多小于40db，说明电磁波被吸收较多，表明该段煤岩层内部可能存在缺陷；一切眼60～68#点之间（距一切眼停采线570m～620m）也出现了一个场强低谷，数值多小于50db，表面穿透性同样较差，可能为煤岩层内部吸收作用增强；同样的场强低值区段还依次出现在一切眼66～72#点区段（距二切眼停采线245m～330m）以及二切眼22～33#点区段（距二切眼停采线230m～330m），但并未出现明显的场强增大区段。结合现场环境及采面地质资料，表明该工作面内部煤岩层有很大的不均一性，部分区域对电磁波的吸收作用明显。

图5 一切眼进风巷接收实测场强曲线图

图6 一切眼回风巷接收实测场强曲线图

图7 二切眼进风巷接收实测场强曲线图

图8 二切眼回风巷接收实测场强曲线图

（四）探测结果及分析

经过综合分析，推断测区地质情况：一切眼13～22#点低场强区段可能为煤岩重力变化异常，这种情况多半是岩溶陷落带、断层或局部煤质变化、煤层减薄等因素所致；一切眼60～68#场强低值区段可能是三维地震发现的DX10陷落柱映射所致；一切眼66～72#点场强低值区段可能为邻近空巷反映，未发现明显信号畸变吸收异常，可不予考虑；二切眼22～33#点周围实际揭露有两个小型陷落柱，因此反映为低场强区域。（见图9）

图9 3301工作面地质反演图

针对无线电透视圈定的场强信号异常区，在回风巷150m、450m、650m沿顺层以下11°倾角方向共设计了9个钻孔，钻进深度约180～210m，结合回采、巷探，对工作面内部情况进行实际探查，结果如下：在二切眼230～330m区段，当回采面形成且探孔钻至30m深度时，孔内岩粉颜色明显变淡，遇稀盐酸检测起泡，钻杆压力释放明显且出现偏移，分析确定应为小型断层和纵向串珠状岩溶陷落柱所致；一切眼110～220m段，钻至35m深度左右，钻压出现突变迹象，孔内出现少量渗水及雾气，且有一定量石灰岩粉渗出，表明此处存在疑似陷落柱构造；对一切眼570～620m段钻探及巷探结果，发现具备无水陷落柱构造形态特征。表明此次物探成果真实可靠，可为矿方进行正常回采活动提供预警。

三、结语

1.本研究应用无线电波透视法对工作面内部隐伏不良构造体进行精细探测，取得了良好效果。证实该技术在矿井安全保障方面符合地质勘探内在属性规律，特别是针对体积较小、较分散的陷落柱和断层具备判别性强、结论直观易懂、成本较低等优势。

2.经过对无线电波透视法下相关结果指向的异常区进行有针对性的钻探验证，发现75%的定向布置钻孔钻杆都出现不同程度的偏斜，或伴随有大量风化物碎屑及少量灰白色渗水产生。表明本例所使用方法有效地揭露了隐藏在工作面内部的不良构造体。

3.在煤矿生产过程中，要密切关注未知区域因工程采动造成的地质后生变化情况，避免不良地质构造彼此串接。这就需要在物探、钻探的基础上完善整个矿井的岩石应力监测预警系统，加强顶底板管理，按照煤矿安全规范开展采掘工作，避免造成意外的地质灾害事故。