基于无线坑透法对工作面勘测应用研究分析

石 岩 张 倩 马汉文

（潞安职业技术学院，山西 长治 046204）

煤矿井田地质赋存情况较为复杂，煤层中可能存在陷落柱、断层以及其他构造发育情况。因而，在N1303 工作面开采之前需要进行地质勘探[1-4]，结合钻探法和无线坑透法来相互印证，提升探测地质构造结构的成功率。

1 工程背景

潞安化工集团古城煤矿位于山西省长治市屯留县李高乡西李高村境内，紧邻东河村东侧、迎泽大道西侧、东李高乡北侧。井田东西长约为17 km，南北宽约为15 km，井田面积为157 km2，平均埋深为520 m。以3#煤层为主采煤层，储量为7.4 亿t，年设计矿井生产能力为0.8 Mt，煤种以低硫、高热值的贫煤为主。

古城煤矿N1303 工作面位置处于北一盘区，西侧为N1302 工作面，东侧为N1305 工作面。工作面推进方向长度为2230 m，工作面布置方向长度为300 m，工作面面积为6.7×105m2，煤层平均厚度为6.03 m。采用无线坑透法对3#煤层中地质变化异常区域进行精准圈定，判断N1303 工作面煤层中是否存在隐性地质构造，其发展形态和赋存方式均影响工作面安全高效回采。

2 设备工作原理

无线坑透探测设备主要是根据矿井中不同岩性岩石对电磁波的吸收能力来判别煤层地质变化情况。若其中存在地质构造（类似陷落柱、断层等）情况，相应设备发射的电磁波能量会被吸收，亦造成能量损失。因此，无线电波坑透法可有效判断出工作面煤层中是否存在地质构造。每组无线电波坑透设备中发射机和接收机需分别布置在运输巷道和回风巷道中，每组发射机所处的巷道发射点间距为50 m，而另一巷道内接收机接收点间距为10 m。每组数据中需要1 个发射点，以及可观测的11 个点的场强值。无线坑透原理如图1。

图1 无线坑透原理图

工作面无线坑透法，假设发射点C 为原点，接收点Q 到C 的距离为L，则Q 点的电磁波场强度Tq为：

式中：T0为一定发射频率下，煤层周围的初始场强值，A/m；α为煤层对电波的吸收能力判别系数；L为一条巷道发射点Q 到另一条巷道接收点O点的长度，m；f（δ）为方向系数。

N1303 工作面所使用的探测设备为WKT—E 型无线电波透视仪，配有发射机和接收机。通过试验对比，当探测时使用发射和接收工作频率为0.3 MHz。当发射机内的电磁波穿过煤层时，若煤层中存在地质构造，则接收机接收到的电磁波能量会明显减弱，从而形成透视异常区域。

3 工作面设备布置情况

分别在N1303 工作面的两条巷道（运输巷道、回风巷道）中布置无线坑透法的发射点、接收点，具体的布置方案为：一条巷道内相邻发射点间的距离为50 m，另一条巷道内相邻接收点间的距离为10 m。因此，工作面两条巷道分别需布置45 个发射点，全程共计需布置90 个。工作面两条巷道需分别布置495 个接收点，全程共计需布置990 个。因此，工作面两条巷道从开切眼到停采线测点编号均从0#～223#。

本次对N1303 工作面内坑透探测数据采集工作，从工作面停采线处（223#）开始向工作面开切眼方向（0#）进行。在依次对运输巷道内的发射点和接收点进行采集后，在开切眼处进行交换，再进行回风巷道的点和接收点进行交会，最终得到工作面两条巷道内的所有坑透探测测点数据。具体的巷道内发射点和接收点布置如图2。

图2 无线坑透法测点布置图

4 试验结果分析

通过对N1303 工作面两巷所接收数据的整理，根据坑透CT 软件系统进行场强衰减状态判断，代入surfer 成图软件中进行视电阻率反演，继而对工作面煤层开采范围内地质构造区域进行科学精准定位圈定。根据工作面内不同场强衰减识别结果得到综合曲线图（图3）、CT 成像图（图4）和视电阻率反演图（图5）。

4.1 工作面现场场强值变化特征

根据计算得到N1303 工作面煤层内理论场强值均值为49.5 dB，具体的工作面两巷实际坑透实测场强变化分布情况如图3。由图3 可以看出，随着工作面测点从0#到223#的变化（从开切眼到停采线处），电磁波在穿过煤层时会出现不同程度的衰减波动现象。当工作面煤层为均质时，电磁波衰减程度不大，整体曲线较为平缓，无较大波动。当煤体内出现地质构造时，电磁波会出现较大幅度的衰减现象，整体曲线波动幅度较大。因此，可以发现N1303 工作面内煤层中地质构造异常区域。

图3 工作面电磁波探测曲线图

4.2 工作面无线电波透视CT 变化特征

由N1303 工作面运输巷道和回风巷道内所测得的电磁波场强值计算分析，得到工作面CT 成像图（图4）。同时根据图中可知，整体N1303 工作面区域内场强衰减变化在0～40 dB 时，整体衰减值变化越小，继而得到该范围内的煤层对电磁波的吸收能力越弱，则说明此处存在地质构造的可能性越低。相反若整体衰减值变化越大，则可得到该范围内的煤层对电磁波的吸收能力越强，则说明此处存在地质构造的可能性越高。圈定7 处透视异常区域，具体见表1 所示。

图4 工作面CT 成像图

表1 N1303 工作面异常区域

4.3 工作面视电阻率反演成果

利用surfer 软件进行数据处理，并建立工作面模型，进而得到工作面电磁波透视探测反演结果（图5）。通过反演分析，N1303 工作面地质异常区域的渐变趋势、形态变得更明显。因此，视电阻率反演成果更有利于对工作面内可能存在的地质构造进行精细解释。

图5 N1303 工作面坑透视电阻率反演图

4.4 钻探和电法探测综合结果分析

根据地质资料和钻探结果可知，1#异常区内有一个小型陷落柱，2#异常区有一条断层（0.5 m），3#异常区内有两条断层（0.5 m），4#异常区内有一个小型陷落柱，5#异常区内有两条小断层（0.5 m），6#异常区内有四条小断层（0.5 m），7#异常区内有一条断层（0.5 m）。通过N1303 工作面钻探结果更加精准地反映无线坑透法圈定的地质异常区域范围，继而判断得到3#煤层内地质构造不影响工作面的正常回采。

5 结论

采用WKT-E 无线电波透视仪（频率为0.3 MHz）对古城煤矿N1303 工作面进行地质构造探测，共圈定7 处场强异常衰减区域。结合地质资料和现场钻探勘测，发现存在断层和隐伏陷落柱，为更加精准确定工作面地质构造提供依据，从而更好地保障工作面安全高效回采。