无线电波坑道透视技术在辛置煤矿的应用

贾金凤，张 星

(1.霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 030400;2.霍州煤电集团 地质处，山西 霍州 030400)

辛置煤矿矿区内断层和陷落柱广泛发育，现已揭露大小断层2 500多条，最高密度可达280条/km2，平均密度为150条/km2;已揭露陷落柱176个，最大密度可达20个/km2，最大直径达125 m。断层和陷落柱严重影响本矿的安全高效开采。无线电波坑道透视技术是一种比较成熟的物探手段，能够对工作面内的地质构造进行有效探测，已在我国的大中型煤矿广泛使用［1－5］。任何物探技术均有其优缺点，无线电波坑道透视技术同样也不例外［5－6］，本文就以辛置煤矿10－413工作面为例，验证该技术的预测精度和优缺点。

1 工作面地质构造概况

霍州煤电集团辛置煤矿10－413工作面位于东四采区东南侧，该工作面整体呈单斜构造，西高东低，工作面东南部有两个小型褶曲。工作面地面标高725～825 m，工作面标高373～427 m，走向长1 431 m，倾向长 203 m。煤层总厚度2.42～2.76 m，煤层结构1.30(0.44)0.47(0.20)0.33，煤层倾角为 4°～6°。10－413工作面周围巷道掘进期间揭露5条断层，此外根据上覆2#煤采空区地质资料显示，圈定工作面内可能存在若干陷落柱。10－413工作面的岩性柱状图见图1。10#煤层直接顶板为泥岩及9#煤，厚度1.3 m，老顶为K2灰岩，厚度为7～9 m，直接底板为砂质泥岩，厚0.8～1.2 m，老底为中 －细砂岩，厚6～8 m。

图1 10－413工作面岩性柱状图

2 坑透探测条件

2.1 探测仪器和探测频率

本次探测工作采用WKT－E型无线电波坑道透视仪。辛置煤矿10－413工作面的切割巷宽度约为200 m，经井下探测频率实验，选用0.3 MHz频率进行工作面透视工作。

2.2 探测方法及条件

探测方法采用分辨率较高的定点扫描法进行探测。探测测点间距设定为10 m，发射点间距设定为50 m，每个发射点对应11个接收点。10－413外围工作面共布置了90个测点，16个发射点。在进行探测工作时，每个发射点发射时间设定为3 min，接收时间设定为3 min;换发射点时间设定为2 min，每个发射点工作循环为5 min。探测工作总共进行了5 h多。

3 探测资料解析和讨论

10－413工作面无线电波坑道透视图见图2。

图2 10－413工作面无线电波坑透图

由图2可以看出，10－413回采工作面存在若干构造异常区域，其中最明显的异常区位于10－413外围回采工作面距C面切巷400～480 m(即45～55号坑透点)，该异常区相对周围煤层衰减度较大，异常衰减范围比较集中，影响面积较广，场强衰减最大达到－15 dB。此外，在10～20号坑透点之间、20～30号坑透点之间也存在较为明显的异常区域。

10－413工作面坑透综合曲线图见图3。

图3 10－413工作面坑透综合曲线图

由图3可知，1号异常点(10～20号坑透点之间)场强接收值比较小，场强变化曲线接收值逐渐减弱，然后逐渐增强，形成一个明显的“凹”字形状;2号异常点(20～30号坑透点之间)场强接收值较弱，场强变化曲线尽管略有的波动，但总体较为平缓;3号异常点(40～50号坑透点之间)场强衰减比较大(＞－9 dB)，场强变化曲线无规律;4号异常点对应的场强接收值较小，场强变化曲线呈现明显的“凹”字形。

对不同地质异常体用电磁波透视的研究表明:相对于正常接收值，断层的影响曲线变化较为平缓，但是接收值明显减弱，衰减值显著增强;椭圆形的陷落柱构造异常影响曲线接收值会逐渐减弱，然后逐渐增强，形成一个明显的“凹”字形状;圆型陷落柱的构造异常影响曲线接收值变化趋势与椭圆型陷落柱的类似，但是在垂直巷道方向上，随着异常半径的增大，异常带变的越宽，接收值变的越弱，衰减值越强［5］。因此，可以推断10－413工作面中1号和4号坑透异常点对应的地质构造应为陷落柱;2号坑透异常点应为断层;而3号异常点坑透综合曲线变化没有规律，无法准确推断对应的地质构造，但因为该点场强衰减非常大，可以认定该区域肯定存在较复杂的地质构造。

地质构造的发育和分布受构造应力和岩层的岩性特征等因素限制，不同成因和不同性质的构造通常成组发育分布。如果在同一个异常区内存在两种或两种以上的构造时，构造之间则会存在相互屏蔽作用，规模较大的断层通常掩盖规模较小的断层或断层和陷落柱之间相互掩盖影响，即构造体的叠加效应。而无线电波坑透仪无法定性分辨多重构造体，在地质解析时只能概括性地圈定为一个整体异常区域(“阴影区”)［6］。在这种情况下只能结合电磁场衰减情况和已知揭露的地质资料进行地质推断。

实践证明，利用无线电波坑道透视技术对煤层工作面内构造(断层、陷落柱、薄煤带)进行探测时，不是所有地质构造都能够反映出来，只有当构造达到一定规模时(对煤层的影响程度)其电磁场的衰减特征才能有效地反映出来［6］。通常情况下，无线电波坑道透视探测技术要求包括:断层的落差需要大于1/2正常煤厚;陷落柱的长轴直径应大于15 m;煤层变薄带煤厚度需要大于1/2正常煤厚。因此，实际工作中一些小规模的构造如断层落差小于1/3煤厚时其特征没有被有效反映，探测的可靠性相对较低，一般情况不对其做地质解析。

10－413工作面回采对构造体的揭露情况见图4。由图4可知，该工作面存在4个陷落柱，5条规模不等的断层，其中 124#、125#和 126#陷落柱与 F1、F2、F3和F4断层同在一个区域。结合对坑透综合曲线异常点的分析结果可以判断，异常点1对应的构造体为93#陷落柱;异常点2对应的地质构造体为F5断层;异常点3和异常点4测定的区域有一部分重叠，异常点4对应的地质构造体可能为126#陷落柱，而异常点3对应的构造为多重构造，包括F1、F2、F3和F4断层、124#和125#陷落柱，因此，造成该处的坑透综合曲线变化没有规律，而且场强衰减非常严重。

图4 10－413工作面地质构造揭露情况图

10－413工作面回采揭露的断层和陷落的参数统计表见表1。

表1 10－413工作面的地质构造参数表

由表1可知，该工作面的正常煤厚2.64 m，该工作面揭露的5条断层(F1、F2、F3、F4和F5)的落差均大于 1.3 m(1/2 正常煤厚)，4 个陷落柱(93#、124#、125#和126#)长轴直径均远大于15 m。因此，该工作面内的5条断层和4个陷落柱对应电磁场衰减特征均比较明显，当4条断层和3个陷落柱同时出现在一个区域的时候就会发生严重的叠加效应，坑透综合曲线变化没有规律，场强衰减严重，无法对整体异常区域进行定性地质解析。

另外，岩性、岩石的结构、构造和湿度、岩体的应力状态等因素能够直接影响电磁波传播效果，巷道在煤层中所处的位置、巷道附近的金属支架、接地的铁轨、电溜子、电缆等人工导体也会影响坑透分析结果。在坑透探测之前必须对工作面进行适当处理，即在靠近运输(或回风)大巷附近工作面顺槽的同一处，拆开所有的金属导体，并将其放置在20～30 m以外接地，这样可大大降低人为干扰的程度。

综上所述，无线电波坑道透视技术能够有效解析达到一定规模的单个地质构造体，无法定性解析多重综合地质构造体，需要借助已知的地质资料或者辅助其他探测手段进行综合推断。

［1］舒社会.无线电波坑透技术在裴沟煤矿的应用［J］.中州煤炭，2011(12):75－76.

［2］张 戬.坑道无线电波透视法在探测井下陷落柱中的应用［J］.科技情报开发与经济，2006(16):166－167.

［3］张彦湘，韩德品，赵 镨.矿井电磁技术在煤矿安全领域的应用现状及进展［J］.中国煤炭地质，2008(20):60－63.

［4］杨肖岩，高红森，郭衍明，等.无线电波坑道透视仪在王庄煤矿的应用［J］.煤炭技术，2011(20):12－13.

［5］梁庆华，吴燕清，宋 劲.无线电波坑道透视探测的定性分析及其应用［J］.重庆大学学报，2010(33):113－116.

［6］姜新波，张根良.无线电波坑透技术在煤矿应用中地质解析的局限性［J］.河北煤炭，2007(1):5－6.