煤层夹矸厚度变化无线电坑透技术规律研究

周 鹏

（霍州煤电集团技术研究院，山西 霍州 031400）

采煤工作面经常存在煤层厚度变化或煤层分层（夹矸层变厚）情况，煤厚及夹层厚度变化是否是导致煤岩层电性差异的影响因素，亟待物探人员给出一个明确的定论。

1 实验目的

（1）验证煤层结构变化是影响物探成果的主要因素之一。

（2）煤层厚度变化对坑透场强数据影响程度及变化规律。

（3）为矿井安全回采、提高回采率提供依据。

2 实验原理

煤层夹矸厚度变化探测主要利用的是无线电波透视基础原理，用来探测顺煤层两巷之间的各种地质构造异常体。工作时，发射机与接收机分别位于不同巷道中，发射机发射固定频率的电磁波，接收机在一定范围内逐点观测电磁波穿透煤层后剩余场强值。交替成层的含煤地层是非均匀介质，电磁波在含煤地层中传播可分解为垂直层理和平行层理方向，在垂直层理方向是非均匀介质，在同一煤层一定范围内平行层理方向上可近似认为是均匀的。电磁波透视是在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行。煤层中断裂构造的界面，构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波穿越煤层途径中，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，这就会形成透视阴影（异常区）。矿井无线电透视技术，就是根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统。

3 矿井概况

3.1 实验选点

干河矿+80 m 西翼轨道大巷一联巷口至2181巷口1#、2#煤层逐渐分层，夹矸厚度由0.4 m 逐渐增大到1 m 以上，最大夹矸厚度达到2 m，现场条件完全符合实验所需地质条件，因此选择该处为实验地点。实验共计探测400 m，两巷间距40 m，选用1.5 MHz、0.5 MHz 及0.3 MHz 频率实验，接收步距为10 m。

3.2 地质概况

+80 m 西翼轨道巷、皮带巷范围地表形态属低山黄土丘陵，以黄土梁、垣特征，黄土冲沟发育，黄土覆盖厚度75～85 m，基岩厚485～595 m。井下标高：轨道巷为84.4～85.1 m；煤层覆存情况：实验段煤层为1/3 焦煤，分上分层1#及下分层2#煤层。+80 m 西翼轨道巷一联巷口至煤层分叉线106 m，分叉线右侧155 m 范围内1#、2#煤层层间距应小于1 m（夹矸厚度在0.4～1 m 之间），分叉线左侧245 m 范围1#、2#煤层层间距大于1 m（夹矸厚度在1～2.5 m 之间），夹矸厚度自右向左呈逐渐递减趋势，实验区域范围内1#煤层平均厚度为1.8 m，2#煤层平均厚度为2.1 m。夹矸厚度变化见图1。

图1 夹矸厚度变化范围示意图

3.3 探测位置及条件

（1）探测位置。探测区域位于+80 m 西翼轨道巷，自一联巷口至前方400 m 范围，以10 m 间距布置41 个测点。一联巷口为0#测点，终点为40#测点。

（2）探测条件。左侧0～11#测点为1#、2#煤层合并层，夹矸厚度为0.4 m 以下，右侧19～40#测点为1#、2#煤层分层，夹矸厚度在1 m 以上。11～19#测点为过渡区域，夹矸厚度由0.4 m 逐渐增大至1.0 m。

4 实验设计

（1）发射设计。+80 m 轨道巷设计发射点1 个测点，发射站点位于15#测点处。

（2）接收设计。+80 m 皮带巷设计接收点41个测点，接收点间距10 m。

（3）频率选择。分别选择0.3 MHz、0.5 MHz、1.5 MHz 三个频率探测。

（4）施工技术要求。一是发射线框必须垂直于巷道方位，架设于巷道中心；二是接收线圈面与巷道位置需保持一致，尽可能远离皮带、胶轮车、电缆、排水管路等干扰物；三是发射电流必须保持在60 mA 以上，并确保发射电流稳定，站间电流误差不得大于1 mA。保证仪器发射初始场强一致。煤层分叉线探测施工测点布置见图2。

图2 煤层分叉线探测施工测点布置示意图

5 实验成果

通过采集三个频率41 个坑透测点范围内实测场强数值，经细化对比分析表明：煤层夹矸厚度变化对无线坑透场强数据有较为明显的反映。夹矸增厚对无线坑透场强数据有一定的吸收作用，实测场强偏低。实测原始数据见表1，场强值对比分析示意图见图3。

图3 坑透射线场强值对比示意图

表1 坑透不同频率探测场强数据统计表

续表:

6 结语

（1）探测范围左侧0～11#测点场强值均在50～60 dB，右侧19～40#测点场强值均在30～40 dB（1.5 MHz、0.5 MHz、0.3 MHz 三个频率），明显反映出煤层合并层场强大于分层场强，夹矸增厚对电磁波有一定的吸收作用，吸收值在10～20 dB 左右。

（2）11～19#测点范围以15#发射点为中心对应观测两侧场强数据，结果显示1.5 MHz 频率发射点左侧场强值大于右侧7～17 dB（11#、18#测点为现场皮带开停干扰数据，排除），反映夹矸厚度大场强值小，夹矸厚度与坑透接收场强值成反比关系。

（3）三个频率对探测均有一定反映，由于本次实验地点两条巷道间距仅40 m，因此1.5 MHz 高频效果相对于其他两个低频率，效果相对更明显。

（4）探测切巷宽度仅为40 m，1.5 MHz 频率反映相对明显，后期选用切巷宽度相对较大的巷道进行0.5 MHz、0.3 MHz 频率实验，进一步验证分层合并层低频场强变化规律。

（5）轨道巷为全封闭无法进行多点发射，仅在218 联巷口布置了一个测点，因此后期在条件允许的情况下选用多个发射点发射，验证规律的可靠性。

综上所述，采煤工作面煤层夹矸厚度变化会导致煤岩层电性差异，进而影响无线电波坑透场强数据。实验进一步验证了煤层结构变化是影响物探成果的主要因素之一。