用坑透仪探测井下地质构造<br/>——以王庄煤矿9102工作面为例

用坑透仪探测井下地质构造
——以王庄煤矿9102工作面为例

2022-11-01梁新星

煤 2022年11期

梁新星

(潞安化工集团王庄煤矿，山西长治 046032)

随着煤矿开采深度的逐年增加，煤矿井下地质及水文地质条件越来越复杂化[1]。尤其是在承压开采采区，其工作面内隐伏的导水构造可能会直接连通奥灰水，严重威胁着矿井的安全生产。生产过程中面临的地质灾害比较突出，给矿井安全生产造成了一定的负面影响。怎样对煤矿井下地质构造做出有效、迅速的探测结果，已经成为矿井生产过程中急需解决的实际问题，且该技术对工作面内隐伏地质构造的准确识别非常重要[2]。无线电透视技术以其探测距离远、精度高的优势，逐渐成为综采工作面的主要物探方法之一[3]。

1 9102工作面概况

1.1 地面位置

北为西史村，南为东史村，西为太长高速路，东为新208国道，地面主要有新208国道。地面标高901～932 m.

1.2 井下位置及四邻情况

9102工作面位于91采区，工作面标高380～425 m.北面是8107掘进工作面，南面是9103设计工作面，西接540胶带巷，东面为9102里段未采区域。

2 坑透结果分析

2.1 坑透原理

无线电波坑道透视法又被称为坑透法，以物理的探测方式工作，主要在查明未知区域或者工作面的地质构造情况方面应用。电磁波传播于地下各煤岩层介质时，由于各种岩石介质、矿石或煤岩的电学性质(电阻率ρ、介电常数ε)之间的差异性，岩层介质对电磁波衰减程度有所差异。即当低阻岩遇到电磁波之后，对电磁波有很强的衰减程度。在井下进行工作时，电磁波遇到前方地质构造时，就会在界面处表现出折射或者反射的现象，从导致电磁波在能量上出现一定的损失。从而坑透法的探测原理可以分析出，在电磁波透视强弱的表现下，可以进行矿区的煤层、各种构造和地质体的推断和解释[4]。

电磁波在煤岩层介质中传播的时候，电磁波强度和相位大小与煤岩岩层的电阻率、介电常数和磁导率等各个电磁参数息息相关，在煤系地层的岩-煤-岩的沉积序列中，上下覆岩层相对电阻率低，在吸收电磁波时呈现增强的现象，从而导致电磁波传播的能量主要集中在煤岩层介质当中，无线电波透视探测就是以此为基础的。煤层在沉积过程中受到各种地质过程的作用，造成煤层介质的电性参数不同，当无线电波穿过煤层的不同位置，电磁波能量的吸收具有差异性，电阻率较低的介质就有较大的吸收程度，穿透的能量就衰减了。无线电波透视探测在综采工作面双巷交替进行，从一巷发射，另一巷接收。经过双巷交替穿透数据的迭代反演等数据处理，形成综采面的吸收系数CT成像，为综采面的安全回采提供技术保障[5]，如图1所示。

图1 无线电波坑道透视原理图

此次勘探使用的YDT88矿用无线电波透视仪由福州华宏智能科技有限公司生产，是引进数字通信调制、高速采样、嵌入式系统等先进技术研制而成。该勘探仪具备收发一体、大透视距离和信号输出稳定等特点，支持一发多收和双巷不交换施工，操作灵活便利，在一定程度上对现场施工效率与检测精度有极大的改善。

2.2 坑透探测方法

由于工作环境的不同，无线电波透视的探测方法有2种：钻孔电磁波法和坑道电磁波法。钻井电磁波法以其工作方式不同分为单孔、双孔、三孔和地面-井下4种方式。坑道电磁波法以其工作方式不同分为同步法和定点法[6]。本次探测采用的是坑道电磁波法，下面对同步法和定点法做简单的阐述：

1) 同步法。同步探测时，在不一样的巷道中布置发射天线与接收天线，一起进行等距走动，然后一个点挨着一个点发射电磁波并接收。当两条巷道近于平行，并且出现工作面长度较大、井下铁器没有完全消除时，便能够同步观测。由于透视距离大致相同，各地干扰条件相似，并能够接收到穿过煤层的电磁波，从而避免接收不同类别的干扰体造成的反射波、绕射波和散射波，保证了接收场强度值的真实性和准确性，对于分析数据有帮助。然而，此种方法极易形成盲测区，并且存在遗漏测量的可能性。

2) 定点法。定点探测时，发射器的坐标在同一时段是相对固定的。在一定区域内，接收器一个点接着一个点观察其场强，即定点发射，多点接收。当工作面形状不一致、长度不太长，且能排除人为干扰时，可采用定点法进行观测。因为这种方法易观察，不仅可以实现工作面两次完全覆盖，而且不存在盲区[7-8]。这种探测方法是以坑透探测综合曲线为基础，采用风巷、运输巷定点交汇的方式方法，确定地质异常体的性质、空间坐标和所涉及的区域，对有目的的钻探验证有一定的参考价值。特点是投入资本少、出成图结果快。在井下经常采用定点探测[9]。

由坑透探测仪的接收器测量的电磁波是发射器在水平方向上的矢量。发射器发射的电磁波通过煤岩层介质时，由于煤岩层介质的电阻率不一样，电磁场场强会发生数值改变。因此，在探测区域内，只有对电磁场场强的变化进行研究，才能充分了解工作面煤岩层介质物理性质的变化[10]。所以在实际透视工作之前，选择一种适合实际情况的观察方法是非常重要的。探测施工示意如图2所示。

图2 无线电波坑道透视布置示意

2.3 坑透无线电波透视使用仪器和频率选择

在矿井中探测时，为确保数据可靠，本次采用定点法施测。接收机频率可选择88 k、158 k、365 k和965 k，为与发射机发射频率一致，一般采用的频率是365 k或158 k.另外高频探测距离近、分辨率高，低频探测距离远、分辨率低。9102工作面宽度约为260 m，为确保数据质量可靠，本次探测仪器采用的频率是158 k.

2.4 坑透资料整理

基于无线电波坑透技术的理论基础，结合无线电波坑透技术的数据处理、判读以及生产需求，设计、编辑并分析异常区域数据，采用单个测试点、单条巷道多个测试点等多种方法分析，最终达到了无线电波坑透技术对数据的处理要求，并应用于9102工作面中。

无线电波坑透数据处理的主要步骤是：第一步，建立新的工程，并对工程参数进行调整和修改；第二步，将输入实测值，并根据实际情况进行数据处理；第三步，对理论场强、平均吸收系数参数进行分析；第四步，返演计算；最后进行图件绘制并出图。本次探测使用的仪器工作稳定，且接收到的数据稳定、完整，接收值变化明显。在两侧干扰较大或数据明显受影响的区域，执行严格的数据排除，保留了工作面局部存在金属体干扰，但不影响观测结果的数据。从综合曲线图能够得出，大部分曲线是完整的，表明检测数据的采集满足要求。

2.5 坑透结果

图3为9102工作面158 k频率的无线电波坑透异常成果图，是数据整理、分析与解释的直接评判标准以及最后的结果。从图3中衰减系数色标能够评判出来，电磁波能量从弱到强的衰减顺序是浅蓝色、蓝色、深蓝色等。电磁波能量衰减越明显的区域(即蓝颜色变得越来越深)越可能出现地质异常体。从图3能够看出，整个区域中出现了3个坑透的异常区域(图中粗的粉色线条所包含的范围)，分别命名为YC-1、YC-2、YC-3.

图3 9102工作面无线电波坑透异常成果图

工作面无线电波坑道透视探测成果显示，在9102工作面外段面内共存在3处构造异常区，结合地质资料及现场探测条件综合分析，YC-1异常区位于工作面低洼区域，分析为受岩性变化影响所致；YC-2异常区呈闭合形态，推测可能为煤岩层破碎所致；YC-3异常区同样位于工作面低洼区域，且现场两巷对应区域存在大量的铁器，分析可能受岩性变化和铁器等综合影响所致。