无线电波透视技术在回采工作面地质异常体探测中的应用

赵 毅

(晋能集团有限公司晋城分公司,山西 晋城 048000)

煤矿回采工作面常因未能提前探明陷落柱、断层、冲刷带等地质异常体而导致生产衔接失衡,影响开采效率[1]。随着煤炭产业“减、优、绿”转型升级,回采工作面开采透明化、智能化的需求日益强烈,对回采工作面精细化探测提出了更高的要求。无线电波透视技术以其经济效益高、多频率可选、透视距离大、抗干扰能力强等优点,逐渐成为使用最为广泛的探查回采工作面地质异常体的技术手段[2-5]。

本文以晋能集团某矿9102回采工作面为研究对象,应用YDT88无线电波透视仪对其内部地质异常体发育情况进行探测,结合场强吸收系数CT图和实测场强曲线对异常区做出地质解释,为矿井生产提供准确地质预测预报,确保工作面安全高效开采。

1 无线电波透视技术原理

电磁波在地下岩层中传播时,由于岩层电性不同,它们对电磁波能量的吸收有一定差异,电阻率低的岩层具有较大的吸收作用。另外,地质异常体的界面会对电磁波产生折射、反射等作用,致使电磁波能量衰减和损耗。因此,如果电磁波在穿越煤层的途径中遇到与煤层电性不同的陷落柱、断层等地质异常体,电磁波能量就会被其吸收或完全屏蔽,信号显著减弱,形成透视异常。通过对透视异常情况进行分析,即可获得地质异常体发育特征[6]。

无线电波透视技术采用偶极子天线发射,假设发射天线中点O为原点,在近似均质煤层中,任意观测点P到点O的距离为r,在此条件下求解介质中的波动方程,可得P点的电磁波场强度HP为:

HP=H0r-1e-β rsinθ.

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P点到O点的直线距离,m;sinθ为方向性因子,θ为偶极子轴与观测点方向的夹角,(°)。

2 回采工作面探测

2.1 工作面概况

9102回采工作面位于沁水煤田晋城矿区,由91021巷、91023巷及切眼圈定,走向长1 300 m,倾向宽180 m。回采煤层为石炭系太原组9#无烟煤,煤层结构简单,煤厚1.1～2.3 m,煤层中间有0.2～0.5 m厚夹矸。地面三维地震资料显示，该工作面内存在两个陷落柱,且其中一个在掘进过程中已经部分揭露,为进一步查清陷落柱发育规模与形态,确保工作面安全高效回采,需对其进行精细化探测与分析。

2.2 探测方案

电磁波在煤层中的传播速度与频率有关,如果工作频率过高,则波长小,分辨率就高,有利于提高异常体的显示度,但透视距离小;如果工作频率过低,则波长大,衰减速度慢,趋肤效应小,透视距离远,但因一次绕射作用使得“透视异常”可能被弱化而模糊。为了较好地突出“阴影”区,考虑工作面规模和产状,采用 YDT88无线电波坑透仪进行探测,设置365 kHz作为信号激励频率。图1为9102工作面无线电波透视射线示意图。

图1 9102工作面无线电波透视射线示意图Fig.1 Schematic diagram of radio wave perspective rays on 9102 working face

如图1所示,本次探测采用一发一收式进行数据采集。于91021巷布置发射天线,91023巷布置接收天线,由切眼向巷口方向依次发射和接收。设计发射测点间距为50 m,接收测点间距为10 m。单条顺槽发射测点27个,除第1个发射测点和第27个发射测点对应6个接收测点外,其余各发射测点均对应11个接收测点,单次发射接收合计获取287个场强数据。91021巷完成发射工作后,调换发射天线和接收天线,再次进行数据采集,两顺槽共获取574个实测场强值。

为了避免电力干扰对电磁波的影响,根据发射接收测点数量和顺槽长度,结合以往施工经验,施工时需确保工作面周边停电160 min。同时,施工选在掘进配套设备全部退出而回采设备未安装期间进行,由此减少铁器对电磁波的干扰。

2.3 数据分析

2.3.1场强吸收系数CT图

利用CT技术解释坑透资料的基本原理是将坑透工作面划分成有不同吸收系数的若干单元,每一个小单元可视为均匀介质。根据实测场强值,利用SIRT算法(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques,同时迭代重构技术),计算矩阵方程即可以反演各单元吸收系数值,再借助Surfer软件插值功能实现工作面吸收系数反演CT成像,该方法对地质异常体横向识别具有重要意义[7-8]。场强吸收系数越大,表明该处煤层遭受破坏越严重,地质异常体越发育[9];反之,则煤层越完整。图2为9102工作面场强吸收系数CT图。

图2 9102工作面场强吸收系数CT图Fig.2 CT image of field strength absorption coefficient of 9102 working face

由图2可知,9102工作面煤层完整区场强吸收系数小于0.03,但同时存在2处高值异常,其吸收系数均大于0.03。初步分析认为,自切眼向巷口方向380～480 m(YC1)和660～800 m(YC2)处存在地质异常体。

2.3.2实测场强曲线

YDT88无线电波透视仪在365 kHz频率探测该工作面时,其初始场强为99.3 dB,传播过程中受煤层等地质体吸收,正常区域实测场强值在25～44 dB之间。同时,与场强吸收系数CT图中高值异常区大体相对应位置同样出现2处低值异常。图3为顺槽实测场强曲线。

图3 顺槽实测场强曲线Fig.3 Measured field strength curves of gateways

如图3所示,YC1场强值介于0～29 dB之间,低场强值区域相对集中,且曲线形态呈陷落柱典型的“V”字形,由此推断YC1处发育有陷落柱;YC2场强值介于4～30 dB之间,曲线形态亦呈 “V”字形,与YC1不同之处在于其低场强值区域连续性差,比较分散,结合91023巷掘进中已揭露部分陷落柱,推断YC2区存在陷落柱,同时不能排除小型断层存在。综上,YC1和YC2处存在地质异常体,回采期间须加强该区域地质灾害防治工作。

3 验证情况

9102工作面回采过程中实际揭露2个陷落柱和1条断层,如图4所示。

图4 9102工作面实际揭露陷落柱示意图Fig.4 Schematic diagram of exposed collapse columns of 9102 working face

由图4可知，陷落柱X1对应YC1,陷落柱X2和断层F1对应YC2。X1呈椭圆状,长轴95 m,短轴20 m,位于距切眼390～460 m处;FI位于91021巷一侧,距切眼660～690 m处,断距1.9 m;X2亦呈椭圆状,长轴50 m,短轴25 m,位于距切眼700～770 m处。未圈异常区煤层发育完整,未发现其他地质异常体。由此可见,实际揭露情况与数据分析解释结果有较好的对应关系。

4 结论

1)YDT88无线电波透视仪在365 kHz频率下工作时，性能稳定,可实现对180 m宽工作面内部地质异常体的有效探测。

2)9102工作面煤层完整区场强吸收系数小于0.03,实测场强值在25～44 dB之间。通过综合分析场强吸收系数CT图和场强曲线,可以对陷落柱发育特征做出判断,有效指导矿井安全回采。