无线电波透视技术在矿井工作面构造探测中的应用

谢 超/ 1.中煤科工集团西安研究院有限公司2.贵州大学



无线电波透视技术在矿井工作面构造探测中的应用

谢 超1,2/ 1.中煤科工集团西安研究院有限公司2.贵州大学

【摘 要】电磁波在煤层中传播遇到地质异常体时，电磁波被差异吸收而造成接收场强变化来发现并分析地质异常体分布范围和类型的，无线电波透视技术在矿井工作面内部构造探测中是一种有效的探查技术。

【关键词】无线电波；坑透；工作面；构造

煤矿生产中的各种地质异常体，主要包括断层、褶曲、陷落柱、煤层厚度变化等，在矿井工作面回采过程中，各种地质异常体严重影响煤矿安全生产，查明地质异常体的性质及影响范围等对煤矿的高效安全生产具有重要的指导意义。应用无线电波透视技术可以定性到半定量地探查、分析矿井工作面内部的各种构造。

1.探测原理

无线电波透视法（简称坑透法）是一种地下电磁波法（或称交流电法）。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率ρ、介电常数ε等）不同，它们对电磁波能量的吸收有一定差异，电阻率低的岩、矿石具有较大的吸收作用。另外，伴随断裂构造所出现的界面，能对电磁波产生折射、反射等作用，也会使电磁波能量衰减和损耗。如果在发射机和接收机之间，电磁波在传播途径中，存在有对电磁波有较大吸收作用的地质体，如矿体、水体、地质构造等，就会使接收到的电磁波能量显著减弱，形成透视异常（或称为“阴影区”），变换发射机与接收机的位置，测得同一异常的“阴影区”，这些“阴影区”交汇的地方，就是异常的位置。研究矿体、各种岩石及地质构造对电磁波传播影响（包括吸收、反射、二次辐射等作用）所造成的各种异常，从而进行地质推断解释。一般情况下，煤层电阻率与煤层顶底板之间电性差异越大，异常反映越明显，电磁波CT成像探测效果会越好。

从地层电性分析，岩层的电性一般变化规律是从泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩、煤层、砂岩到灰岩，电阻率值逐渐增高，即煤层相对其顶、底板为一相对高阻电性层。电磁波在煤层中传播遇到地质异常体时，电磁波被差异吸收而造成接收场强变化来发现并分析地质异常体分布范围和类型的。电磁波在地下岩石中传播时，各种岩、矿石电性(电阻率和介电常数)的不同，当构造发育，一方面出现层位错动，局部裂隙发育，对电磁波的吸收增强，使接收的电磁波发生变化。这种电磁特征为无线电波透视探测技术的提供了良好的物性前提。

由于采煤工作面的巷道通常布置在煤层中这一煤矿技术条件，如果在透视时，使发射机与接收机处在同一煤层中，可利用均匀各项同性介质中应用较为简单的公式进行计算和解释。电磁波在均匀介质中辐射场表达式如下：

式（1）中：Ho-决定于发射功率和天线周围介质的初始场强；β-介质对电磁波能量的吸收系数；γ-观测点到辐射源的直线距离。

2.资料处理方法

坑道无线电波透视资料的整理是将在坑下记录的实测场强H，通过电磁场强公式进行人工或计算机运算，求出初始场强H0，进而绘制所需的图件，为资料的解释提供依据。

坑道无线电波透视法资料解释的目的是根据探测工作面的地质、地球物理及透视区段的电磁参数分布规律，发现并预测有意义的异常，进而达到探测的目的。主要的解释方法有场强对比法、平面交会法、实测场强法和计算机层析成像法。场强对比法是坑透法中最基本、最主要的解释方法，而计算机层析成像法(CT)则是80年代来发展起来的新方法。

坑道无线电波透视的层析成像根据衰减系数分为两大类。通过测量场强值计算出被测区域内的衰减系数，这样取得的二维成像图称作绝对衰减层析成像。若设正常地段的衰减系数等于某一常数，则用这个常数与被测区域内衰减系数相减得到的成像图称为相对衰减层析成像图。这里可以用代数重建算法ART，联合迭代算法SIRT和反投影算法BPT来求解线性方程组，求出绝对衰减和相对衰减系数的分布。经过计算机的演算处理，最后由绘图子系统绘制坑透工作面视吸收率等值线图、色块图、立体图、灰度图和平面交会图等。本次使用代数重建算法进行计算，利用仪器生产方提供的解释软件绘制了色块图。

3.资料解释

数据的解释遵循与其它电法相同的规律与程序，即结合已知的地质、钻探和水文等资料，从已知到未知，从点到线，从线到面，从简单到复杂，去伪存真，由表及里的原则进行分析推断。

3.1异常划分方法

无线电波透视成果图是原始观测值通过相对衰减算法进行

3.2异常解释方法

以人工解释为基础，计算机为工具，由粗到细逐步进行。人工解释通过对主干剖面的解释，勾绘地层总体赋存形态以及构造格局，为后期人机联作精细解释打下基础；而人机操作交互解释系统对于电磁法数据的解释具有特殊的优越性，是精细解释必不可少的工具。它能充分地利用人机界面对数据体进行精细解释，具有保持追踪功能，从而大大提高对各种地质现象的分辨率。物探异常具有相对性与多解性，需要结合已知的地质信息，按从已知到未知，从点到线，由线到面，由浅入深的原则进行综合分析，以提高成果的可靠性和精度。

4.木担坝煤矿10123工作面坑透实例分析

4.1工作面概况

木担坝煤矿位于贵州省习水县，施工地点位于10123工作面，回风巷长度971m，运输巷长度958m，工作面倾向长度140m。煤层厚度1.0～2.4m，平均煤厚1.9m，煤层倾角5°～15°。煤层直接顶为泥岩，平均厚度约4.6m，老顶为粉砂岩，平均厚度约8.9m。煤层直接底为灰色泥岩，平均厚度约0.5m，老底为铝土质粘土岩，平均厚度约3m。该工作面在运输巷掘进里程102.5m处遇f18断层，在回风巷掘进里程189m处遇f18断层，在975m处遇f20断层，在667m处揭露一直径为19.6m的陷落柱。

4.2测点布置与施工

本次施工使用的仪器为WKT-7型坑道无线电波透视仪，无线电波透视探测控制区域为10123工作面掌子面向巷口方向610m区段。10123工作面回风巷物探测点以B10导线点向切眼方向27.4m为起点，编号为0号。以0号为起点，向切眼方向每10m为1个点号依次编号，共编62个测点；运输巷物探测点以B12导线点向巷道外侧方向44.4m为起点，编号为0号。以0号为起点，向切眼方向每10m为1个点号依次编号，共编62个测点。两顺槽共编124个测点。

无线电波坑透探测采用定点发射，在对应巷道扇形接收的施工方式，无线电波透视采用40m一个发射点，在对面巷道10m接收，每个发射点接收7～11点。两顺槽共布置32个发射点。每个接收点至少有7次以上的覆盖。

4.3无线电波透视成果

本次采用无线电波透视相对衰减层析成像技术对数据进行处理，相对衰减层析成像是用相对衰减算法进行层析处理，以电磁波场强衰减系数在工作面中的相对分布进行异常图像的重建。无线电波透视探测，共发现4处明显的相对衰减较强异常区，分别编号为1号异常、2号异常、3号异常和4号异常区。

根据无线电波透视成果并结合已知地质资料对4处异常区段进行综合推断，1号异常区，10123工作面在运输巷8～9号测点附近遇f18断层，在回风巷16号测点附近遇f18断层，其中f18断层在工作面内延展，推断该处异常区为f18断层影响所致。2号异常区，该异常在运输巷、回风巷掘进时未揭露地质构造，推断该异常区为隐伏地质构造异常区。3号异常区，该异常在运输巷掘进时未揭露地质构造，推断该异常区为隐伏地质构造异常区。4号异常区，该异常区附近采掘过程中揭露陷落柱等地质构造，推断该异常区为陷落柱等构造引起的地质异常区。

经过回采过程中实际揭露验证，4个异常区均得到了验证，验证情况与探测推断基本吻合，无线电波透视效果良好，无线电波透视成果图见图1。

图1　10123工作面无线电波透视成果图

5.结论

（1）无线电波透视技术是探查采煤工作面煤层中断裂构造、陷落柱等构造发育、展布等状况有效的矿井物探技术。通过回采前预先探测，对异常部位采取预防措施，为矿井安全生产可有效提供保障。

（2）无线电波透视技术探测时，金属支架、接地铁轨、电缆及其他金属导体等可能造成干扰，探测时须采取相应的抗干扰措施。

（3）对无线电波透视成果解释时，要结合现场的地质情况进行具体分析，解释成果才能更准确。

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