無線電波坑道透視技術在辛置煤礦的應用

賈金鳳，張 星

(1.霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 030400;2.霍州煤電集團 地質處，山西 霍州 030400)

辛置煤礦礦區內斷層和陷落柱廣泛發育，現已揭露大小斷層2 500多條，最高密度可達280條/km2，平均密度為150條/km2;已揭露陷落柱176個，最大密度可達20個/km2，最大直徑達125 m。斷層和陷落柱嚴重影響本礦的安全高效開采。無線電波坑道透視技術是一種比較成熟的物探手段，能夠對工作面內的地質構造進行有效探測，已在我國的大中型煤礦廣泛使用［1－5］。任何物探技術均有其優缺點，無線電波坑道透視技術同樣也不例外［5－6］，本文就以辛置煤礦10－413工作面為例，驗證該技術的預測精度和優缺點。

1 工作面地質構造概況

霍州煤電集團辛置煤礦10－413工作面位于東四采區東南側，該工作面整體呈單斜構造，西高東低，工作面東南部有兩個小型褶曲。工作面地面標高725～825 m，工作面標高373～427 m，走向長1 431 m，傾向長 203 m。煤層總厚度2.42～2.76 m，煤層結構1.30(0.44)0.47(0.20)0.33，煤層傾角為 4°～6°。10－413工作面周圍巷道掘進期間揭露5條斷層，此外根據上覆2#煤采空區地質資料顯示，圈定工作面內可能存在若干陷落柱。10－413工作面的巖性柱狀圖見圖1。10#煤層直接頂板為泥巖及9#煤，厚度1.3 m，老頂為K2灰巖，厚度為7～9 m，直接底板為砂質泥巖，厚0.8～1.2 m，老底為中 －細砂巖，厚6～8 m。

圖1 10－413工作面巖性柱狀圖

2 坑透探測條件

2.1 探測儀器和探測頻率

本次探測工作采用WKT－E型無線電波坑道透視儀。辛置煤礦10－413工作面的切割巷寬度約為200 m，經井下探測頻率實驗，選用0.3 MHz頻率進行工作面透視工作。

2.2 探測方法及條件

探測方法采用分辨率較高的定點掃描法進行探測。探測測點間距設定為10 m，發射點間距設定為50 m，每個發射點對應11個接收點。10－413外圍工作面共布置了90個測點，16個發射點。在進行探測工作時，每個發射點發射時間設定為3 min，接收時間設定為3 min;換發射點時間設定為2 min，每個發射點工作循環為5 min。探測工作總共進行了5 h多。

3 探測資料解析和討論

10－413工作面無線電波坑道透視圖見圖2。

圖2 10－413工作面無線電波坑透圖

由圖2可以看出，10－413回采工作面存在若干構造異常區域，其中最明顯的異常區位于10－413外圍回采工作面距C面切巷400～480 m(即45～55號坑透點)，該異常區相對周圍煤層衰減度較大，異常衰減范圍比較集中，影響面積較廣，場強衰減最大達到－15 dB。此外，在10～20號坑透點之間、20～30號坑透點之間也存在較為明顯的異常區域。

10－413工作面坑透綜合曲線圖見圖3。

圖3 10－413工作面坑透綜合曲線圖

由圖3可知，1號異常點(10～20號坑透點之間)場強接收值比較小，場強變化曲線接收值逐漸減弱，然后逐漸增強，形成一個明顯的“凹”字形狀;2號異常點(20～30號坑透點之間)場強接收值較弱，場強變化曲線盡管略有的波動，但總體較為平緩;3號異常點(40～50號坑透點之間)場強衰減比較大(＞－9 dB)，場強變化曲線無規律;4號異常點對應的場強接收值較小，場強變化曲線呈現明顯的“凹”字形。

對不同地質異常體用電磁波透視的研究表明:相對于正常接收值，斷層的影響曲線變化較為平緩，但是接收值明顯減弱，衰減值顯著增強;橢圓形的陷落柱構造異常影響曲線接收值會逐漸減弱，然后逐漸增強，形成一個明顯的“凹”字形狀;圓型陷落柱的構造異常影響曲線接收值變化趨勢與橢圓型陷落柱的類似，但是在垂直巷道方向上，隨著異常半徑的增大，異常帶變的越寬，接收值變的越弱，衰減值越強［5］。因此，可以推斷10－413工作面中1號和4號坑透異常點對應的地質構造應為陷落柱;2號坑透異常點應為斷層;而3號異常點坑透綜合曲線變化沒有規律，無法準確推斷對應的地質構造，但因為該點場強衰減非常大，可以認定該區域肯定存在較復雜的地質構造。

地質構造的發育和分布受構造應力和巖層的巖性特征等因素限制，不同成因和不同性質的構造通常成組發育分布。如果在同一個異常區內存在兩種或兩種以上的構造時，構造之間則會存在相互屏蔽作用，規模較大的斷層通常掩蓋規模較小的斷層或斷層和陷落柱之間相互掩蓋影響，即構造體的疊加效應。而無線電波坑透儀無法定性分辨多重構造體，在地質解析時只能概括性地圈定為一個整體異常區域(“陰影區”)［6］。在這種情況下只能結合電磁場衰減情況和已知揭露的地質資料進行地質推斷。

實踐證明，利用無線電波坑道透視技術對煤層工作面內構造(斷層、陷落柱、薄煤帶)進行探測時，不是所有地質構造都能夠反映出來，只有當構造達到一定規模時(對煤層的影響程度)其電磁場的衰減特征才能有效地反映出來［6］。通常情況下，無線電波坑道透視探測技術要求包括:斷層的落差需要大于1/2正常煤厚;陷落柱的長軸直徑應大于15 m;煤層變薄帶煤厚度需要大于1/2正常煤厚。因此，實際工作中一些小規模的構造如斷層落差小于1/3煤厚時其特征沒有被有效反映，探測的可靠性相對較低，一般情況不對其做地質解析。

10－413工作面回采對構造體的揭露情況見圖4。由圖4可知，該工作面存在4個陷落柱，5條規模不等的斷層，其中 124#、125#和 126#陷落柱與 F1、F2、F3和F4斷層同在一個區域。結合對坑透綜合曲線異常點的分析結果可以判斷，異常點1對應的構造體為93#陷落柱;異常點2對應的地質構造體為F5斷層;異常點3和異常點4測定的區域有一部分重疊，異常點4對應的地質構造體可能為126#陷落柱，而異常點3對應的構造為多重構造，包括F1、F2、F3和F4斷層、124#和125#陷落柱，因此，造成該處的坑透綜合曲線變化沒有規律，而且場強衰減非常嚴重。

圖4 10－413工作面地質構造揭露情況圖

10－413工作面回采揭露的斷層和陷落的參數統計表見表1。

表1 10－413工作面的地質構造參數表

由表1可知，該工作面的正常煤厚2.64 m，該工作面揭露的5條斷層(F1、F2、F3、F4和F5)的落差均大于 1.3 m(1/2 正常煤厚)，4 個陷落柱(93#、124#、125#和126#)長軸直徑均遠大于15 m。因此，該工作面內的5條斷層和4個陷落柱對應電磁場衰減特征均比較明顯，當4條斷層和3個陷落柱同時出現在一個區域的時候就會發生嚴重的疊加效應，坑透綜合曲線變化沒有規律，場強衰減嚴重，無法對整體異常區域進行定性地質解析。

另外，巖性、巖石的結構、構造和濕度、巖體的應力狀態等因素能夠直接影響電磁波傳播效果，巷道在煤層中所處的位置、巷道附近的金屬支架、接地的鐵軌、電溜子、電纜等人工導體也會影響坑透分析結果。在坑透探測之前必須對工作面進行適當處理，即在靠近運輸(或回風)大巷附近工作面順槽的同一處，拆開所有的金屬導體，并將其放置在20～30 m以外接地，這樣可大大降低人為干擾的程度。

綜上所述，無線電波坑道透視技術能夠有效解析達到一定規模的單個地質構造體，無法定性解析多重綜合地質構造體，需要借助已知的地質資料或者輔助其他探測手段進行綜合推斷。

［1］舒社會.無線電波坑透技術在裴溝煤礦的應用［J］.中州煤炭，2011(12):75－76.

［2］張 戩.坑道無線電波透視法在探測井下陷落柱中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2006(16):166－167.

［3］張彥湘，韓德品，趙 鐠.礦井電磁技術在煤礦安全領域的應用現狀及進展［J］.中國煤炭地質，2008(20):60－63.

［4］楊肖巖，高紅森，郭衍明，等.無線電波坑道透視儀在王莊煤礦的應用［J］.煤炭技術，2011(20):12－13.

［5］梁慶華，吳燕清，宋 勁.無線電波坑道透視探測的定性分析及其應用［J］.重慶大學學報，2010(33):113－116.

［6］姜新波，張根良.無線電波坑透技術在煤礦應用中地質解析的局限性［J］.河北煤炭，2007(1):5－6.