巷道無線電波坑道透視技術

陳勝然 杜樂樂 宋佳 李世超

中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京 10083

礦井生產中，工作面內部構造的存在給生產帶來了不同程度的影響，也是工作面安全回采的一大安全隱患[1]。這就需要我們在已有地質資料的基礎上結合先進的物探技術來預測工作面內的各種構造。無線電波坑道透視技術就是一種較為成熟的煤礦井下物探方法。采用無線電波透視技術對某礦12041工作面的構造進行超前探測,結果與生產實踐具有較好的一致性,這對于該工作面安全生產具有重要的現實意義。

1 技術簡介

無線電波坑道透視是用來探測順煤層兩煤巷、兩鉆孔或煤巷與鉆孔之間的各種地質構造異常體的一種物探方法，如圖1所示。其觀測方法分為同步法（一對一）和定點法（一對多）。同步法是將發射機與接收機分別安裝在不同的巷道或鉆孔中，同時做等距移動，逐點進行發射和接收；定點法即在一定時間內發射機的位置相對固定，接收機在一定范圍內逐點觀測其場強值。

圖1 無線電波坑道透視原理圖

在順煤層的兩巷道或兩鉆孔中進行電磁波透視。以輻射源的中點O為原點，P為觀測點，在各項同性、近似均勻的煤層中，P點的電磁波場強計算公式為：

式中：H0為在一定的發射功率下，天線周圍煤層的初始場強，A/m；β為煤層對電磁波的吸收系數；r 為發射點P到O點的直線距離，m；(θ)為方向性因子，θ為偶極子軸與觀測點方向的夾角，一般采用(θ)=sin（θ）來計算[2-3]。

當輻射條件不隨時間變化時，初始場強H0為常數，此時吸收系數β是影響場強幅值的主要參數，β值越大，場強變化就越大。吸收系數與煤層的電阻率及電磁波的頻率等電性參數有關：在同一均勻煤層中，煤層電阻率越低、電磁波頻率越高吸收系數就越大，電磁波穿透煤層距離就越近。

當電磁波遇到煤層中的構造破碎帶、斷裂構造的界面以及富含水帶等時，會產生反射、折射等現象，從而造成電磁波能量的損耗。因此，當發射源發射的電磁波在穿越煤層的過程中，遇到斷層、陷落柱、富含水帶、煤層產狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質異常體時，接收到的電磁波能量就會明顯減弱，這就會形成透視陰影（異常區）[4]。

2 工作面概況

該礦主采山西組二1煤層，煤層厚度4.62m～6.81m，平均6.03m，開采深度570m～930m。12041工作面位于該礦I盤區上部，-600m水平，其平均走向長度2310.2m，傾斜長度170m，開采二1煤層，煤層平均厚度6.12m，煤層傾角介于0°～9°之間，平均4.5°。工作面切眼東南199m是F18斷層，西北側是I盤區三條大巷，東北側是未開采的12061工作面，西南側是未開采的12021工作面。12041工作面內共揭露10條斷層，各斷層落差介于0.7～2.3m。其中上順槽揭露F113、F116、F117、F118、F119、F120、DF11、F123、F124九條斷層，下順槽揭露F115一條斷層，均為正斷層，其中F116、F117、F118三條斷層形成一個較大的構造薄煤帶，對回采工作影響較大。F119斷層形成的構造薄煤帶，對回采工作也有影響。

3 探測儀器及方法

3.1 探測儀器

本次探測選用的是WKT-E型無線電波坑道透視儀。該儀器具有工作穩定，探測范圍廣，操作方便等優點，已經在全國50多個大型礦務局推廣使用，是目前礦井物探儀器中較為成熟的一種物探設備。該礦12041工作面傾斜長度約170m。經井下探測頻率實驗，頻率選用0.5MHz，該頻率穿透距離相對較大且精度較高。

3.2 探測方法

本次探測采用定點法。測點布置是其關鍵步驟，也是本次探測的首要工作，測點布置前須對工件面的位置及形狀、掘進中揭露的構造、煤層厚薄變化、瓦斯和含水等情況有一定的了解。根據12041工作面的實際情況，選用工作面中間一段進行細致探測，測點間距設定為10m，發射點間距設定為50m。12041工作面所探測距離為600m，共布置122個測點，22個發射點。其中，工作面上巷測點編號為0～60號，工作面下巷測點編號為500～560號，如圖2所示。

圖2 無線電波坑道透視布置示意圖

4 無線電波坑道透視結果分析

將12041工作面的探測數據進行計算機處理，把場強衰減異常取為-10dB。根據計算機處理結果，圈定三處較為集中的異常區，分別命名為A異常區、B異常區和C異常區。根據實際地質資料，異常區可能是煤層變化區域或構造密集發育區域。三個異常區中的具體情況如下：

A異常區：位于12041工作面上巷測點10～20（實際距離850～950m），12041工作面下巷510～520（實際距離900～1000m）之間，該異常區相對周圍煤層來看是衰減最大、數據偏小、異常最集中、范圍最廣的區域，場強衰減最大達到-20dB多。結合地質資料分析，推斷為薄煤層帶或斷層破碎帶，另外以此向兩邊范圍均有衰減，可能為異常區的漸變過程所致。

B異常區：位于12041工作面上巷測點25～30（實際距離1000～1050m），12041工作面下巷525（實際距離1050m附近）之間，該異常區相對其他異常區來看是場強衰減相對較大的一個區域，場強衰減最大達到-10dB。結合地質資料分析，推斷為該處小斷層引起的數據衰減造成。

C異常區：位于12041工作面上巷測點50～55（實際距離1250～1300m），12041工作面下巷550～555（實際距離1300～1350m）之間，該異常區相對其他異常區來看是場強衰減相對較大的一個區域，場強衰減最大達到-10dB。結合地質資料分析，推斷為該處小斷層引起的數據衰減造成。

綜上三個異常區，最主要的為A異常區，范圍大、場強衰減幅度大，區域較集中，建議礦方打鉆驗證，同時做好安全防范工作；其余兩個異常區相對較小，場強衰減幅度較小，也不排除受到每層變化引起的數據變化。

5 結束語

通過回采驗證,無線電波坑道透視結果與工作面實際揭露情況基本吻合。如果在沒有無線電波坑透物探資料的情況下揭露地質構造，很可能造成工作面不能正常回采，甚至造成安全事故。而在有無線電波坑透物探資料的基礎上進行回采，可以提前分析構造對開采的影響，從而采取相應的安全技術措施，確保礦井安全生產。說明該技術起到了超前預測,指導生產的作用。

[1]盧國梁,侯志鷹.地質構造綜合探測技術在塔山礦的應用[J].煤炭科學技術，2008,36(9)：95-98.

[2]郭然,董秀桃,張旭剛.綜采面地質小構造無線電波坑道透視技術[J].煤炭科學技術，2009,37(11)：99-105.

[3]朱懷志,劉合廷,張均仿.無線電磁波坑透探測技術的應用[J].煤炭技術,2005,24(12)：101-102.

[4]湯友誼,陳江峰,彭立世.無線電波坑道透視構造煤的研究[J].煤炭學報，2002,27(3)：254-258.