浅谈无线电磁波坑透技术在复杂矿井中的应用

赵昕



浅谈无线电磁波坑透技术在复杂矿井中的应用

赵昕

（山西金晖隆泰煤业有限公司，山西 长治 046500）

山西金晖隆泰煤业有限公司地质构造条件为中等—复杂，尤以断层和陷落柱较为发育。通过介绍坑透技术的基本原理和在金晖隆泰矿9101工作面实际探测情况，表明坑透技术是一种探测工作面内隐伏地质异常体的有效方法，最终证明坑透法可以应用在复杂地质条件矿井中。

坑透技术；地质条件；复杂矿井；9101工作面

煤炭作为当今世界主要能源之一，素有“工业粮食”之称，在目前的不可再生能源的消费和生产中占具主导地位。而随着煤炭被不断开发和利用，在生产过程中会经常遇到各种障碍和困难，其中探明矿井的地质构造，保证安全生产成为了最基本的前提。目前世界各国主要采用矿井钻探、物探和巷探三种技术手段来探测矿井地质构造。其中，矿井物探因其快速、经济和直观的特点受到了普遍的重视。而无线电磁波坑透技术（以下简称“坑透”）自20世纪70年代引入以来，已被推广到全国各大煤矿中，并取得了颇为不错的成果，是一种技术发展非常成熟的物探手段。因坑透技术具有资料采集方便快捷、仪器简单轻巧、操作简易、见效快等优点，为目前国内外工作面内地质构造探查最普遍采用的物探手段。

本文以金晖隆泰矿9101工作面为例，该矿采用坑透技术对9101工作面内部的各种地质异常体分布和发育情况进行探测，根据坑透结果分析工作面内各种构造发育情况，进一步指导9101工作面的安全生产，最终证明坑透技术在复杂地质条件矿井中能够起到较好的效果。

1 矿井地质概况

山西金晖隆泰煤业有限公司位于山西省沁源县王和镇坡底村，设计能力90万吨/年，井田面积7.666 3 km2。地质构造条件中等—复杂，尤以断层陷落柱较为发育。矿井现主采太原组的9+10号煤层，煤层厚度为1.15～3.90 m，平均厚度为2.67 m，为全区可采稳定煤层。煤层直接顶板为K2石灰岩，老顶为K2上石灰岩，底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，局部为细粒砂岩，偶见炭质泥岩。

2 坑透基本理论

2.1 坑透技术原理

坑透技术是通过研究高频电磁波在岩、矿石中的传播规律，进而查明地下构造形态的一种物探方法。由于地下各种岩、矿石电磁参数（电阻率和介电常数）与频散特性等不同，所以电磁波在其中传播时，岩层对电磁波能量会有不同程度的吸收，电阻率较低的岩层对电磁波的吸收作用较强。因此，在井下探测过程中，当电磁波前进方向上遇到因地质构造存在而造成的煤层不延续所形成的断裂界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗。因此在工作面探测时，如果发射机发射的电磁波能量被吸收甚至完全屏蔽，同时接收机接收到的信号显著减弱或者完全接收不到信号而形成阴影时，即表明电磁波在穿过煤层途中遇到地质异常体（断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其他构造等），形成了透视异常区，该区域即为所要探测异常体的位置和范围，如图1所示。而坑透技术便是通过研究矿井内各种地质构造、煤层变化和地质异常体等对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释。

图1 电磁波透视法工作原理图

2.2 坑透技术的地质地球物理基础

2.2.1 岩矿石电磁参数与频散特性

电阻率是决定电磁波在井下吸收介质中传播特性的主要参数。介电常数仅在高频和高阻地层中才明显对电磁场产生影响，电介质的介电常数是指电容器极板间充满电介质时，电容增大的倍数，是表征介质在外电场作用下极化程度的物理量。频散现象指岩、矿石的电磁参数随频率的变化而发生改变。

岩矿石由多种物质成分组成，在交变电磁场作用下，介质的不同组合对交变电场会呈现一定的阻抗，因此有效电导率和有效介电常数必然随频率不同而变化。

2.2.2 坑透法基本公式

在均匀介质中，电磁波辐射场强用下式进行计算：

式（1）中：为均匀介质中某点的实测场强值；0为根据发射机发射功率和天线周围介质所决定的初始场强值；为介质对电磁波的吸收系数；为观测点到辐射源的直线距离。

在进行坑透工作时，要根据工作面需要透视的距离选择合适的工作频率。当进行大距离透视时，应使用较低的工作频率，而透视距离较短时，则采用高频率进行探测，可以提高分辨能力。

3 CT层析成像技术

本次坑透采用CT层析成像技术进行处理。它的基本原理是：首先将需要探测的区域按照规律划分成一定长宽的数字网格，不同发射点的电磁波射线在穿过网格时会产生同一类型的衰减，然后计算得出该网格的数值。通过分析网格中的数值，就可确定煤层中异常的区域。该技术能够充分利用电磁波在介质传播过程中的信息，大大提高资料解释的精确度和可信度，增强了异常区的识别能力。根据已有探测判断，条带状的异常表现通常为断层构造，圆形或椭圆形异常表现往往为陷落柱发育。

4 9101工作面坑透实例分析

4.1 工作面概况

9101工作面位于金晖隆泰煤矿先期开采地段东南部，主采9+10号煤层。井下位置：西起三条大巷，北部、南部为未开采地段，东至矿井边界。工作面走向长480 m，倾向长120 m，煤层平均厚度2.67 m，上分层0.8 m，下分层1.7 m，夹矸厚0.05～0.2 m。煤层倾角为4°～15°，平均7°。9+10号煤层直接顶板为K2石灰岩，老顶为K2上石灰岩，直接底为砂质泥岩或泥岩，工作面掘进过程中共揭露4条断层，落差为0.5～2.2 m不等，陷落柱2个。

4.2 工作方法

在9101工作面透视工作进行前，首先对工作面内所有通电设备进行断电，并调查清楚工作面两顺槽锚网锁等金属支护材料、金属管道、轨道等主要干扰因素的分布情况，以便在工作时能采取相应措施，减少二次干扰。同时要了解已 揭露的地质构造等资料。

在此基础上，确定最终的观测方法，布置工作量，制订9101工作面坑透的工作程序和时间顺序表。

观测方式采用定点法，即在工作面的一条巷道中将发射机在一定时间内相对固定，而另一条巷道中接收机在一定范围内逐点观测其场强值，又称定点交汇法，如图2所示。定点法观测具有速度快捷、效率高效和易于协调等优点。

9101工作面无线电磁波透视工作，选定胶带顺槽进巷拐点位置处为“0”号点，在回风顺槽对应位置开始布置起点，两顺槽内以10米点距向靠近切眼方向布置42个测点。每个巷道设计发射点9个，总计发射点累计18个，接收数据点累计250个。

图2 定点观测方式示意图

4.3 实测资料整理与解释

4.3.1 初始场强与吸收系数的确定

在对9101工作面无线电波透视资料进行解释前，首先要先确定电磁波的初始发射场强0和工作面煤层衰减系数.根据9101工作面无线电磁波发射点综合曲线图和分析结果，结合两顺槽实际情况和所采用仪器的实际发射场强范围与9101工作面煤层的电磁参数特征，最终确定9101工作面初始发射场强0为149 db，煤层吸收系数为0.31.

4.3.2 层析成像图资料解释

9101工作面无线电磁波透视层析成像如图3所示。

通过已知构造揭露情况，对比成果图中异常分析可以看出：①图3中胶带顺槽Xt1异常区与实际揭露位置2～4号点对应，推断为陷落柱构造的影响；②Xt3异常区与实际揭露位置12～15号点对应，推断为陷落柱构造的影响；③Ft3异常区为胶带顺槽38～39号点位置断层影响，Ft4异常区为胶带顺槽41号点和回风顺槽37号点断层影响。④胶带顺槽22～24号点位置揭露的断层落差为0.5 m和0.7 m，在图上无明显异常反应。Xt1、Xt3、Ft3、Ft4异常区与实际揭露的构造相对应，为隐伏构造的判定提供参考依据。Ft1、Ft2和Xt2异常区推断为隐伏构造。Ft1、Ft2、Ft4异常呈条带分布，推断可能为断层构造影响，Xt2异常区呈圈闭状分布，推断可能为陷落柱构造影响。

4.3.3 坑透结果

根据图3，结合已有地质资料与工作面两顺槽实际揭露情况，其工作面成果平面如图4所示。结论如下：①Xt1、Xt3、Ft3、Ft4异常区与实际揭露的构造相对应，为隐伏构造的判定提供参考依据。综合分析推断Xt1陷落柱长轴长35 m，短轴长11 m，为较可靠陷落柱；Xt3陷落柱长轴长25 m，短轴长16 m，为揭露较可靠陷落柱；Ft3断层为揭露较可靠断层，落差=0.8 m；Ft4断层为揭露较可靠断层，落差=2.2 m。②Ft1、Ft2、Xt2异常区为推断隐伏构造。Ft1、Ft2异常区呈条带分布，推断为断层构造。其中，Ft1断层落差=1.0 m；Ft2断层落差=1.2 m。Xt2异常区呈圈闭状分布，推断为较可靠陷落柱，Xt2陷落柱长轴19 m，短轴长14 m。③Ft1、Ft2和Ft4异常区反映较明显，异常范围相对较大，对工作面回采有一定的影响。

图3 9101工作面无线电磁波透视层析成像图

图4 9101工作面推断解释成果平面

5 结束语

本文介绍了在复杂地质条件下，隆泰矿采用坑透技术对9101工作面进行探测，不仅探清了工作面两顺槽已揭露构造的发展情况，同时探明工作面内的隐伏构造，为矿上能够提前采取措施，保证工作面安全生产提供地质基础资料，最终证明坑透法在可以应用在复杂地质条件矿井中，且具有较好效果。

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2095－6835（2019）02－0148－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.148

〔编辑：严丽琴〕