巷道无线电波坑道透视技术

陈胜然 杜乐乐 宋佳 李世超

中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 10083

矿井生产中，工作面内部构造的存在给生产带来了不同程度的影响，也是工作面安全回采的一大安全隐患[1]。这就需要我们在已有地质资料的基础上结合先进的物探技术来预测工作面内的各种构造。无线电波坑道透视技术就是一种较为成熟的煤矿井下物探方法。采用无线电波透视技术对某矿12041工作面的构造进行超前探测,结果与生产实践具有较好的一致性,这对于该工作面安全生产具有重要的现实意义。

1 技术简介

无线电波坑道透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体的一种物探方法，如图1所示。其观测方法分为同步法（一对一）和定点法（一对多）。同步法是将发射机与接收机分别安装在不同的巷道或钻孔中，同时做等距移动，逐点进行发射和接收；定点法即在一定时间内发射机的位置相对固定，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。

图1 无线电波坑道透视原理图

在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行电磁波透视。以辐射源的中点O为原点，P为观测点，在各项同性、近似均匀的煤层中，P点的电磁波场强计算公式为：

式中：H0为在一定的发射功率下，天线周围煤层的初始场强，A/m；β为煤层对电磁波的吸收系数；r 为发射点P到O点的直线距离，m；(θ)为方向性因子，θ为偶极子轴与观测点方向的夹角，一般采用(θ)=sin（θ）来计算[2-3]。

当辐射条件不随时间变化时，初始场强H0为常数，此时吸收系数β是影响场强幅值的主要参数，β值越大，场强变化就越大。吸收系数与煤层的电阻率及电磁波的频率等电性参数有关：在同一均匀煤层中，煤层电阻率越低、电磁波频率越高吸收系数就越大，电磁波穿透煤层距离就越近。

当电磁波遇到煤层中的构造破碎带、断裂构造的界面以及富含水带等时，会产生反射、折射等现象，从而造成电磁波能量的损耗。因此，当发射源发射的电磁波在穿越煤层的过程中，遇到断层、陷落柱、富含水带、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影（异常区）[4]。

2 工作面概况

该矿主采山西组二1煤层，煤层厚度4.62m～6.81m，平均6.03m，开采深度570m～930m。12041工作面位于该矿I盘区上部，-600m水平，其平均走向长度2310.2m，倾斜长度170m，开采二1煤层，煤层平均厚度6.12m，煤层倾角介于0°～9°之间，平均4.5°。工作面切眼东南199m是F18断层，西北侧是I盘区三条大巷，东北侧是未开采的12061工作面，西南侧是未开采的12021工作面。12041工作面内共揭露10条断层，各断层落差介于0.7～2.3m。其中上顺槽揭露F113、F116、F117、F118、F119、F120、DF11、F123、F124九条断层，下顺槽揭露F115一条断层，均为正断层，其中F116、F117、F118三条断层形成一个较大的构造薄煤带，对回采工作影响较大。F119断层形成的构造薄煤带，对回采工作也有影响。

3 探测仪器及方法

3.1 探测仪器

本次探测选用的是WKT-E型无线电波坑道透视仪。该仪器具有工作稳定，探测范围广，操作方便等优点，已经在全国50多个大型矿务局推广使用，是目前矿井物探仪器中较为成熟的一种物探设备。该矿12041工作面倾斜长度约170m。经井下探测频率实验，频率选用0.5MHz，该频率穿透距离相对较大且精度较高。

3.2 探测方法

本次探测采用定点法。测点布置是其关键步骤，也是本次探测的首要工作，测点布置前须对工件面的位置及形状、掘进中揭露的构造、煤层厚薄变化、瓦斯和含水等情况有一定的了解。根据12041工作面的实际情况，选用工作面中间一段进行细致探测，测点间距设定为10m，发射点间距设定为50m。12041工作面所探测距离为600m，共布置122个测点，22个发射点。其中，工作面上巷测点编号为0～60号，工作面下巷测点编号为500～560号，如图2所示。

图2 无线电波坑道透视布置示意图

4 无线电波坑道透视结果分析

将12041工作面的探测数据进行计算机处理，把场强衰减异常取为-10dB。根据计算机处理结果，圈定三处较为集中的异常区，分别命名为A异常区、B异常区和C异常区。根据实际地质资料，异常区可能是煤层变化区域或构造密集发育区域。三个异常区中的具体情况如下：

A异常区：位于12041工作面上巷测点10～20（实际距离850～950m），12041工作面下巷510～520（实际距离900～1000m）之间，该异常区相对周围煤层来看是衰减最大、数据偏小、异常最集中、范围最广的区域，场强衰减最大达到-20dB多。结合地质资料分析，推断为薄煤层带或断层破碎带，另外以此向两边范围均有衰减，可能为异常区的渐变过程所致。

B异常区：位于12041工作面上巷测点25～30（实际距离1000～1050m），12041工作面下巷525（实际距离1050m附近）之间，该异常区相对其他异常区来看是场强衰减相对较大的一个区域，场强衰减最大达到-10dB。结合地质资料分析，推断为该处小断层引起的数据衰减造成。

C异常区：位于12041工作面上巷测点50～55（实际距离1250～1300m），12041工作面下巷550～555（实际距离1300～1350m）之间，该异常区相对其他异常区来看是场强衰减相对较大的一个区域，场强衰减最大达到-10dB。结合地质资料分析，推断为该处小断层引起的数据衰减造成。

综上三个异常区，最主要的为A异常区，范围大、场强衰减幅度大，区域较集中，建议矿方打钻验证，同时做好安全防范工作；其余两个异常区相对较小，场强衰减幅度较小，也不排除受到每层变化引起的数据变化。

5 结束语

通过回采验证,无线电波坑道透视结果与工作面实际揭露情况基本吻合。如果在没有无线电波坑透物探资料的情况下揭露地质构造，很可能造成工作面不能正常回采，甚至造成安全事故。而在有无线电波坑透物探资料的基础上进行回采，可以提前分析构造对开采的影响，从而采取相应的安全技术措施，确保矿井安全生产。说明该技术起到了超前预测,指导生产的作用。

[1]卢国梁,侯志鹰.地质构造综合探测技术在塔山矿的应用[J].煤炭科学技术，2008,36(9)：95-98.

[2]郭然,董秀桃,张旭刚.综采面地质小构造无线电波坑道透视技术[J].煤炭科学技术，2009,37(11)：99-105.

[3]朱怀志,刘合廷,张均仿.无线电磁波坑透探测技术的应用[J].煤炭技术,2005,24(12)：101-102.

[4]汤友谊,陈江峰,彭立世.无线电波坑道透视构造煤的研究[J].煤炭学报，2002,27(3)：254-258.