無線電波透視技術(shù)在大傾角薄煤層工作面的應(yīng)用

葉坤輝　張孝建　曹建輝　黃祥寬　陳文生　董 戈

（1.福州華虹智能科技股份有限公司，福建　福州　350003；2.四川廣旺能源發(fā)展（集團）有限責任公司，四川　廣元628017；3.宜賓芙蓉地質(zhì)勘測設(shè)計有限公司，四川　宜賓　644599）

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無線電波透視技術(shù)在大傾角薄煤層工作面的應(yīng)用

葉坤輝1張孝建1曹建輝2黃祥寬2陳文生3董 戈3

（1.福州華虹智能科技股份有限公司，福建福州350003；2.四川廣旺能源發(fā)展（集團）有限責任公司，四川廣元628017；3.宜賓芙蓉地質(zhì)勘測設(shè)計有限公司，四川宜賓644599）

摘要：本文基于礦用無線電波透視儀理論研究和現(xiàn)場實踐，提出以礦用無線電波透視法為技術(shù)手段，在大傾角薄煤層工作面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線電波透視法；電磁波；斷層；陷落柱

針對礦井工作面存在的地質(zhì)構(gòu)造異常體的探測方法，總體上可以分為地震波和電磁法兩大類。其中以透視方法為主，主要包括震波和槽波CT 方法，直流電法、音頻電透視和無線電波透視技術(shù)等方法。無線電波透視方法技術(shù)應(yīng)用較早，其技術(shù)方法成熟，操作便捷，因此在煤礦工作面地質(zhì)異常探查中發(fā)揮著重要的作用。但是，由于技術(shù)本身及煤層地質(zhì)條件的影響，無線電波透技術(shù)在大傾角薄煤層工作面的應(yīng)用中還存在諸多問題，如勘探距離及分辨能力均存在一定的不足之處。筆者通過廣旺礦區(qū)無線電波透視方法的應(yīng)用與實踐，對電磁波透視技術(shù)在大傾角薄煤層中的穿透距離，勘探效果，煤層厚度、構(gòu)造特征對勘探結(jié)果引起的差異等內(nèi)容進行分析與討論，力求為無線電波透視技術(shù)在大傾角薄煤層工作面的應(yīng)用提供有效的技術(shù)參數(shù)，進一步提高工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造異常探查的精度和準確率。

1 無線電波透視法基本原理

電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構(gòu)造時，波能量被吸收或完全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構(gòu)造及地質(zhì)體對電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進行地質(zhì)推斷和解釋。

2 無線電波透視工作原理

工作面電磁波透視法通過天線在一巷發(fā)射電磁波，另一巷接收；在介質(zhì)中任意點的磁場表達式可表示為（1）：

式中：

H0—決定于發(fā)射功率和天線周圍介質(zhì)的初始場強；

β—介質(zhì)對電磁波能量的吸收系數(shù)；

r—觀測點到輻射源的直線距離；

sinθ —方向性因子，一般可認為等于1。因此（1）可簡化為（2）：

表1　SIRT反演吸收系數(shù)（CT）成像圖異常區(qū)特征分析

把坑透工作面劃分成有不同吸收系數(shù)的若干小單元（像元），每一小單元內(nèi)可視為介質(zhì)均勻的。根據(jù)多個發(fā)射點上所測場強值，利用SIRT 算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques，同時迭代重構(gòu)技術(shù)），計算矩陣方程可以反演各像元吸收系數(shù)值，從而實現(xiàn)工作面成像區(qū)內(nèi)吸收系統(tǒng)反演成像。

3 無線電波透視技術(shù)在大傾角薄煤層應(yīng)用分析

近期在四川廣旺礦區(qū)，開展了大量的工作面無線電波透視探查，主要包括唐家河1111 工作面、趙家壩1942工作面煤層、代池壩3544工作面。由于煤層厚度、工作面布設(shè)、構(gòu)造發(fā)育條件等差異，其探查效果具有一定的差異性。以下結(jié)合各個工作面透視結(jié)果，對無線電波透視效果進行分析。

3.1 唐家河煤礦1111工作面

1111工作面開采的1號煤層位于T3xj5-1近底部，該煤層常與其上覆的2號（四連子）煤層合并為一層，亦稱1～2號（正七連）煤層或統(tǒng)稱為1號煤層。1111采面內(nèi)煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復雜，一般夾矸3～7層，煤層厚度1.8m～3.1m，平均厚度為2.4m，煤層厚度變化有東薄西厚的特點，產(chǎn)狀為180°～186°∠33°～48°。工作面現(xiàn)場布置圖及探測成果圖如圖1～圖2所示。

表2　反演吸收系數(shù)（CT）成像圖異常區(qū)特征分析

表3　探測解釋異常區(qū)特征分析

3.2 趙家壩煤礦1942工作面

1942工作面所采煤層為9號煤，煤層厚度在0.90m～1.30m，平均煤厚1.15m，夾矸1～2層，煤層厚度與煤層結(jié)構(gòu)都較穩(wěn)定，煤層平均傾角43.5°，屬穩(wěn)定煤層。工作面現(xiàn)場布置圖及探測成果圖如圖3～圖4所示。

3.3 代池壩煤礦3544工作面

3544綜采工作面位于304采區(qū)＋320m～＋458m階段石門以東5#煤層中。上部3542工作面已回采完畢，西部的3543工作面未布置。3544綜采工作面范圍內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，純煤厚平均為0.45m，屬較穩(wěn)定煤層。從3544運輸巷及回風巷揭露的5#煤層資料分析，煤層的傾角變化較小，在39°～41°。在3544回風巷掘進至5-19以東18m，遇到一褶曲Z2，該褶曲傾伏向為243°，傾伏角為55°；3544運輸巷掘進至5-19以東18m遇到一褶曲Z3，該褶曲傾伏向為194°，傾伏角為46°；根據(jù)分析Z2與Z3為同一褶曲，3544采煤工作面在回采至該構(gòu)造區(qū)域，煤層頂板局部將會破碎，務(wù)必加強支護。探測成果圖如圖5～圖6所示。

結(jié)論

（1） 廣旺礦區(qū)探測實踐表明，無線電波透視成像對大傾角薄煤層工作面內(nèi)異常的探查具有明顯效果，但是由于工作面不規(guī)則，不能從實測場強直接分析是否為異常，需進一步對吸收系數(shù)進行分析。因此，實際探查時需根據(jù)不同工作面地質(zhì)條件及其特點進行數(shù)據(jù)采集、處理與分析，綜合運用多種物性參數(shù)，取得良好的探查預(yù)報效果。（2）上述探測工作采用的是YDT88礦用無線電波透視儀，可以大透視距特性的低頻工作。在以往無線電波透視儀的基礎(chǔ)上引進先進的數(shù)字通信調(diào)制、高速采樣、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)開發(fā)完成。無線電波透視儀器進一步的完善，確立了有效的電磁波場強及吸收系統(tǒng)異常判定標準，進一步提高透視距離及解釋精度。（3） 目前趙家壩煤礦1942綜采工作面切眼巷道已安全順利形成，成功預(yù)測預(yù)報了1942機巷掌子面處揭露的陷落柱構(gòu)造導水區(qū)域的范圍。目前通過廣旺集團多個工作面的實踐與應(yīng)用，證明針對性設(shè)計的無線電波透視儀在大傾角薄煤層不規(guī)則工作面可以有效穿透，接收到穩(wěn)定可靠的信號，預(yù)測預(yù)報工作面內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育情況。

參考文獻

[1]張平松，劉盛東，程學豐.礦井地質(zhì)安全保障體系中的實用探測技術(shù)[J].江蘇煤炭，2003（02）：10-11.

[2]吳榮新，劉盛東，肖玉林.工作面無線電波透視實測場強成像分析及應(yīng)用[J].巖土力學，2010，31（S1）：435-440.

中圖分類號：TD823

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