无线电波坑道透视法在探测不同煤厚的地质构造的应用及探讨

＊赵煊煊 王丽军 尉琦辉 杨俊超

（1.山西省煤炭地质物探测绘院有限公司 山西 030600 2.山西宏鼎科技有限公司 山西 030001）

前言

由于综采工作面内隐伏的地质构造（陷落柱、断层）、含水体等隐蔽致灾因素在矿井生产过程中给煤矿的生产与安全带来较大的潜在风险，同时也影响到生产计划、资源回收率及煤炭开采效益，故建议在综采工作前采用地球物理勘查方法对综采工作面内的隐蔽致灾因素进行探查工作。目前对综采工作面内隐蔽致灾因素常见的物探方法有无线电波坑道透视法、矿井瞬变电磁法、音频电穿透法、槽波地震勘探法等。对综采工作面中地质构造的探测，目前常用的有无线电波坑道透视法和槽波地震勘探法，综合比较可知，无线电波坑道透视法施工设备轻便、数据采集迅速、探测距离大、探测效果较为显著、成本低、性价比高，因此在市场中应用较为广泛。

1.工作原理及解释方法

电磁波在地下岩层传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，对电磁波能量吸收不同。因此，电磁波穿过矿井下综采工作面煤层途中遇到岩层发生时，波能量会随之发生变化，接收到的电磁波信号会变弱或接收不到信号，呈现透视异常区域。

无线电波坑道透视资料在综采工作面探测地质构造时主要采用场强对比和CT成像技术相结合的方法进行分析，结合井下实际揭露情况进行对比解释。

(1)场强对比法

场强综合曲线图：单个发射点对应接收的实测场强值、理论场强值和衰减系数值绘制在同一个坐标轴，横轴为接收点号，间距为接收点距。

交汇平面图：在综采工作面工程布置图上，按探测的点距在两巷标定发射点和对应的接收点。将接收异常点与对应的发射点连线，绘制出的范围便为异常体的平面位置，如图1所示。

图1 无线电波透视曲线交汇法解释示意图

(2)CT成像法

把综采工作面划分成为不同吸收系数的若干小单元（像元），每个小单元内可视为介质相对均匀。多个发射点上对场强分别进行多重观测，可以得出综采工作面内每个单元的场强值。

2.坑透法探测时的仪器参数选择和工作布置

(1)煤层厚度的划分

0.5～1.3m为薄煤层、1.3～3.5m为中厚煤层、3.5～8.0m为厚煤层。

(2)仪器参数的选定

使用的无线电波坑道透视装备为YDT88矿用无线电波透视仪，设定频率分别为88kHz、158kHz、365kHz、965kHz，灵敏度（信噪比3:1）：＜0.06μV。频率的选择根据工作面宽度进行试验工作来选择。

(3)工作方法布置

采用定点法：发射机相对固定，接收机在指定范围内逐点观测其场强值，接收点间距为10m，发射点间距为50m。每一个发射点，接收机可相应的接收11个点。

3.山西的应用实例

(1)在厚煤层中的探测

①综采工作面概况。山西省大同市某矿22602工作面，回风顺槽走向长度约1800m，运输顺槽走向长度约2018m，倾向长度230m，22号煤层，厚度为7.45～10.25m，平均厚度为9.5m；结构简单，属稳定全区可采煤层。根据矿方提供资料得知，在掘进期间实际揭露多条断层，如图2所示，十字线圈定范围为探测工作面范围。

图2 探测工作面范围图

②实测场强分布图及反演吸收系数分布图分析。图3为22602工作面回风顺槽与运输顺槽实测场强分布图，等值线数值为实测场强值，26～54dB代表了场强由低到高的变化过程。

图3 22602工作面实测场强分布图

从图3可以看出，对应的场强较低值分别位于22602综采工作面0～100、680～750和1380～1470测点位置。其中（150～160、790～820、900～920和1350～1360）测点靠近回风顺槽呈现低场强电性特征反映。

如CT成像图所示（图4），工作面内电磁波吸收系数大体介于0.0175～0.0295，根据实测数据和巷道揭露的实际地质情况对衰减系数较大的区域进行地质分析，探测结果结合井下巷道实际揭露构造以吸收系数0.0235为阈值，吸收系数β≤0.0235时推断此范围内无构造发育，当β＞0.0235时推断此范围内有构造发育。图4中反演吸收系数值0.0175～0.0295（β）代表了吸收系数值的递增趋势。

图4 22602工作面反演吸收系数分布图

从图4可看出，0～150测点区域反演吸收系数相对较高，1350～1450测点吸收系数值次之，640～820测点和880～970测点吸收系数值相对较小。

根据实测场强分布图和反演吸收系数图综合分析，在22602综采工作面0～150、640～820、880～970和1350～1450测点位置均出现低场强、强吸收区。

在回风顺槽和运输顺槽0～150m、640～820m、880～970m、1350～1450m处均揭露有断层且吸收系数β＞0.0235，因此本次的探测结果与井下揭露的断层的位置基本一致。

(2)在中厚煤层中的探测

①综采工作面概况。山西省晋城市某矿15205工作面，走向长度为660m，倾向为176m。15号煤层厚度为2.3～3.4m，平均厚度为3.1m；煤层倾角为1°～7°，平均倾角为3°。由矿方提供资料得知，在运输顺槽210～290m处揭露一条正断层，走向N4°E，倾向N83°W，倾角约30°，落差约5m，如图5所示。

图5 探测工作面范围图

②实测场强分布图及反演吸收系数分布图分析

如图6所示，等值线数值为实测场强值，40～70（dB）代表了场强由低到高的变化过程。

图6 15205工作面实测场强分布图

根据C T 成像图所示（图6），反演吸收系数β≤0.363时推断范围内无构造发育，当存在导致电磁波折射、反射、强吸收的地质构造时，其吸收系数β＞0.363。最后根据实测数据特征和巷道揭露的实际地质情况对吸收系数较大的区域进行地质分析。

根据（图6）15205工作面实测场强分布图和（图7）15205工作面反演吸收系数分布图综合分析，发现15205回采工作面210～290测点之间出现相对低场强、强吸收区。

图7 15205工作面反演吸收系数分布图

在运输顺槽210～290m内揭露有断层且吸收系数β＞0.363，因此本次的探测结果与井下揭露的断层的位置基本一致。

(3)在薄煤层中的探测

山西省晋中市某矿100306回采工作面，走向长度为705m，宽度为146m，10号煤层煤厚为0.90～1.05m，平均厚度为0.95m，结构简单，局部含1层灰色砂质泥岩夹矸，厚度为0.2～0.5m。根据矿方提供的资料得知，在运输顺槽160～180m揭露水平断交椭圆形，长轴约29.5m，短轴约13m的陷落柱。如图8所示，十字线圈定区域为探测范围。

图8 探测工作面范围图

图9中等值线数值为实测场强值，22～66dB代表了场强由低到高的变化过程。

图9 100306工作面实测场强分布图

CT成像图上不同颜色代表电磁波在煤层的衰减系数。经过对数据处理后的特征，结合矿方提供的相关地质资料分析认为：吸收系数β≤0.022时推断探测范围内无大型构造存在，当存在导致电磁波折射、反射、强吸收的地质构造时，其吸收系数β＞0.022。如图10所示，靠近回风顺槽120～140、310～350、410～450和540～590号测点出现低场强、强吸收异常区。靠近运输顺槽70～120、280～320和500～520号测点之间出现低场强、强吸收异常区。

图10 100306工作面反演吸收系数分布图

在运输顺槽160～180m内揭露有陷落柱且吸收系数β＞0.022，因此本次的探测结果与井下揭露的陷落柱的位置不一致。

4.结论

尽管近年来地球物理方法和技术不断更新和提高，综采工作面内地质构造的探测仍然是影响煤矿生产的重要隐蔽致灾因素之一，提高探测精准度，为矿井安全高效生产提供相应的技术服务，始终是地球物理工作的主要目标。

综上所述，得出以下结论：

（1）无线电波坑道透视法作为一项对地质构造的探测方法，采用不同的探测参数，受煤层及围岩的影响，得到的场强和吸收系数，差异较大。

（2）无线电波透视法对垂向或斜交工作面地质构造的探测较平行工作面走向构造的效果较好。

（3）无线电波透视法对地质构造发育较简单的综采工作面的探测效果较好。

（4）无线电波透视法对在山西的厚煤层和中厚煤层中探测效果相对较好，在薄煤层中受围岩电磁效应的影响，探测效果相对较差。