无线坑透高精度加密测网构造探查技术研究

周 鹏

(霍州煤电集团 技术研究院，山西 霍州 031400)

矿井无线电磁波坑透技术是一种较成熟的回采工作面构造探测技术，根据电磁波在煤层中的传播特性，当煤层中存在断裂构造的界面，构造破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等，能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。因此，当回采工作面内部存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、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，形成透视阴影异常区。无线坑透技术是霍州煤电各矿井回采工作面地质构造探查的主要手段，而综采工作面切巷宽度的不断加大、采面内部隐伏地质构造影响日趋复杂等因素影响，导致现有坑透技术和方法已无法穿透或穿透射线不够等，造成采面内隐伏构造漏报、误报等情况发生，降低了坑透探测准确度。

1 加密测网构造探查

为了提高坑透探测精度，借鉴槽波地震布线方式在地质构造相对复杂的回采面加密测网，并做相关对比分析。常规无线电坑透探测技术井下工作按50 m一个发射站，10 m一个接收站，每站接收11个数值，接收100 m范围内场强值(见图1). 加密测网后仍按照50 m发射站，10 m一个接收站不变，在原来的接收100 m范围加大至200 m(在条件允许，接收场强数据正常的情况下可继续加大接收范围)，每站接收21个数值(见图2)，从而有效提升数据解析分辨率，其主旨就是通过加密测网布设，达到构造精细控制的目的。

图1 坑透常规测网射线布置图

图2 坑透加密测网射线布置图

2 单点加密探测原理

无线坑透是利用无线电波发射装置在一顺槽巷道发射以一定频率的电磁波并在工作面煤层内部传播，穿透过程中如遇构造界面，介质发生明显电性差异时会对电磁波产生折射、反射和吸收，导致另一条巷道接收到的电磁波能量产生明显减弱，这就会形成透视阴影(异常区)，单点加密探测原理示意图见图3.

图3 单点加密探测原理示意图

电磁波场强度HP表示为：

式中：

H0—一定的发射功率下，天线周围煤层的初始场强，A/m.

β—煤层对电磁波的吸收系数；

r—P点到O点的直线距离，m；

f(θ)—方向性因子，θ是偶极子轴与观测点方向的夹角，一般采用f(θ)=sin(θ)来计算。

在辐射条件不随时间变化时，H0是一常数，吸收系数β是影响场强幅值的主要参数，其值越大，场强变化就越大。吸收系数与电磁波频率和煤层的电阻率等电性参数有直接关系：在同一均匀煤层中，频率越高吸收系数就越大，电磁波穿透煤层距离就近；煤层电阻率越低，吸收系数也越大。

θ表示发射天线轴与观测点方向之间的夹角，在条件允许的情况下，通过增大θ来增大观测范围、加大观测数据量，提高数据交汇分辨度。增量变化如下：

式中：

L—单侧接收范围,m；

n—扩大观测范围的倍数；

D(D′)—发射天线与观测点之间的距离,m；

θ—原观测角度范围，(°)；

θ′—加密观测角度范围，(°).

3 应用实例

3.1 采面概况

霍州煤电集团紫晟煤业2-101工作面位于北益昌背斜的西翼，工作面北部为一采区轨道上山、一采区胶带上山和一采区回风上山，南部为井田边界，西部和东部为未开拓区域。巷道采用锚网梁支护，巷道内架设有皮带架子，帮上挂有洒水、排水等管路，主采的2#煤层属二叠系上下统山西组，煤层为黑色，条痕为褐黑色，沥青—玻璃光泽，断口呈贝壳状或参差状，有一定的韧性，硬度一般为2～3，内生裂隙较发育，平均视密度为1.40 t/m3. 煤层直接顶板为细粒砂岩、砂质泥岩，厚0～7.94 m，均厚4.27 m，灰白色，石英为主，含少量暗色矿物及较多煤屑，直接底为砂质泥岩，厚3.59～4.87 m，均厚4.23 m，灰黑色，粉砂质，均匀层理，含云母片及植物茎叶化石，松软。该工作面地质构造相对复杂，掘进期间工作面顺槽共揭露6条断层。

3.2 探测参数

1) 频率选择。该次探测工作采用WKT-E型无线电波坑道透视仪。2-101工作面宽度约为170 m，根据切巷宽度，经井下频率实验，选用0.5 MHz频率进行工作面透视工作。

2) 测点布置。该次探测使用定点法(一对多)：发射机相对固定，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。布置测点间距为10 m，发射点间距为50 m，2-101回采面探测范围长度为730 m，两巷共布置30个发射点，146个接收测点，分两次进行数据采集。

3) 首次探测每个发射点对应6～11个测点(图4).

4) 二次探测每个发射点对应11～21个接收点(图5).

图4 坑透常规CT交汇示意图

图5 坑透加密测网CT交汇示意图

3.3 数据处理

1) 物理特征。从电性上分析，不同岩性的地层其一般规律为：灰岩、煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，黏土岩类最低。即泥岩、黏土岩、粉砂岩等与灰岩、煤层的导电性差异明显。当存在断层等构造破碎带时，煤层与断层对盘的顶底板砂泥岩层产生明显的电性差异，砂泥岩层对电磁波的吸收强于煤层，形成电磁波能量衰减阴影异常区。

2) 两次探测接收数据较稳定、完整。探测现场环境条件较好基本不存在干扰。从两次坑透原始数据及加密测网综合曲线图(图6)可看出，2-101工作面探测曲线变化符合坑透探测规律。

图6 加密测网综合曲线图

3.4 成果分析

1) 常规测网圈定3处场强衰减较为集中的异常区域，分别编号为E1、E2、E3，异常区影响范围较大(图7).

图7 常规测网(50 m发射100 m范围接收CT图)

2) 加密测网圈定5处场强衰减较为集中的异常区域，分别编号为E1、E2、E3、E4、E5，异常区显示较为精细，能够精准控制断层影响范围，细化异常影响区域(图8).

图8 加密测网(50 m发射200 m范围接收CT图)

3) 该矿根据物探异常范围进行了针对性钻孔布置，通过钻探，加密测网所圈定的5个异常区均得到了验证，效果较理想(图9).

经对比分析，加密坑透测网后虽然在纵向上CT异常位置仍有一定的偏差，但在顺槽横向上异常范围圈定较为准确，横向误差偏移距离在15 m以内。表明了加密测网后确实提高了坑透异常区域的分辨率，达到构造精细控制的目的。

图9 2-101回采工作面钻孔布置示意图

4 结 语

1) 在构造相对复杂的回采工作面采用加密坑透测网射线布置能够有效提高坑透解释精度，精细控制构造延展方向及影响范围。

2) 通过加密测网，可对坑透综合曲线图及CT成果图进行精细把控，细致分析，减小异常区圈定范围，精准指定物探异常“靶区”，有效指导该矿有针对性的编制钻探设计，减少钻探工作量。

3) 建议在构造极复杂矿井工作面可以进一步加大接收范围至300 m、缩小接收点步距为5 m，或缩小发射间距为25 m. 即：加大接收数据量，减少发射接收步距，以提高坑透解释精度，从而更为精细化把控回采面内部的隐伏地质构造。

4) 加密布网对仪器测距提出新的要求,因此建议矿井单位根据实际地质情况做针对性试验，在条件允许的情况下开展加密测网坑透探测。目前，坑透仪相关厂家均以降低发射频率至0.3 MHz以下及提高发射功率的方式增加测距。

5) 在使用过程中应注意：降低发射接收频率(0.158 MHz、0.088 MHz)虽然能够明显增加透距，但一定程度上也增加了电磁场强数据的失真和不稳定性。井下接收过程中甚至达到±15 dB的场强跳跃幅度。因此，在能够接收到有效电磁信号的情况下，应尽量选择频率较高的1.5 MHz、0.5 MHz、0.3 MHz开展现场探测工作。同时，提高发射功率必须在满足井下防爆要求条件下开展，避免加大功率造成安全隐患。