無線電波透視技術在礦井工作面構造探測中的應用

謝 超/ 1.中煤科工集團西安研究院有限公司2.貴州大學

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無線電波透視技術在礦井工作面構造探測中的應用

謝 超1,2/ 1.中煤科工集團西安研究院有限公司2.貴州大學

【摘 要】電磁波在煤層中傳播遇到地質異常體時，電磁波被差異吸收而造成接收場強變化來發現并分析地質異常體分布范圍和類型的，無線電波透視技術在礦井工作面內部構造探測中是一種有效的探查技術。

【關鍵詞】無線電波；坑透；工作面；構造

煤礦生產中的各種地質異常體，主要包括斷層、褶曲、陷落柱、煤層厚度變化等，在礦井工作面回采過程中，各種地質異常體嚴重影響煤礦安全生產，查明地質異常體的性質及影響范圍等對煤礦的高效安全生產具有重要的指導意義。應用無線電波透視技術可以定性到半定量地探查、分析礦井工作面內部的各種構造。

1.探測原理

無線電波透視法（簡稱坑透法）是一種地下電磁波法（或稱交流電法）。電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性（電阻率ρ、介電常數ε等）不同，它們對電磁波能量的吸收有一定差異，電阻率低的巖、礦石具有較大的吸收作用。另外，伴隨斷裂構造所出現的界面，能對電磁波產生折射、反射等作用，也會使電磁波能量衰減和損耗。如果在發射機和接收機之間，電磁波在傳播途徑中，存在有對電磁波有較大吸收作用的地質體，如礦體、水體、地質構造等，就會使接收到的電磁波能量顯著減弱，形成透視異常（或稱為“陰影區”），變換發射機與接收機的位置，測得同一異常的“陰影區”，這些“陰影區”交匯的地方，就是異常的位置。研究礦體、各種巖石及地質構造對電磁波傳播影響（包括吸收、反射、二次輻射等作用）所造成的各種異常，從而進行地質推斷解釋。一般情況下，煤層電阻率與煤層頂底板之間電性差異越大，異常反映越明顯，電磁波CT成像探測效果會越好。

從地層電性分析，巖層的電性一般變化規律是從泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖、煤層、砂巖到灰巖，電阻率值逐漸增高，即煤層相對其頂、底板為一相對高阻電性層。電磁波在煤層中傳播遇到地質異常體時，電磁波被差異吸收而造成接收場強變化來發現并分析地質異常體分布范圍和類型的。電磁波在地下巖石中傳播時，各種巖、礦石電性(電阻率和介電常數)的不同，當構造發育，一方面出現層位錯動，局部裂隙發育，對電磁波的吸收增強，使接收的電磁波發生變化。這種電磁特征為無線電波透視探測技術的提供了良好的物性前提。

由于采煤工作面的巷道通常布置在煤層中這一煤礦技術條件，如果在透視時，使發射機與接收機處在同一煤層中，可利用均勻各項同性介質中應用較為簡單的公式進行計算和解釋。電磁波在均勻介質中輻射場表達式如下：

式（1）中：Ho-決定于發射功率和天線周圍介質的初始場強；β-介質對電磁波能量的吸收系數；γ-觀測點到輻射源的直線距離。

2.資料處理方法

坑道無線電波透視資料的整理是將在坑下記錄的實測場強H，通過電磁場強公式進行人工或計算機運算，求出初始場強H0，進而繪制所需的圖件，為資料的解釋提供依據。

坑道無線電波透視法資料解釋的目的是根據探測工作面的地質、地球物理及透視區段的電磁參數分布規律，發現并預測有意義的異常，進而達到探測的目的。主要的解釋方法有場強對比法、平面交會法、實測場強法和計算機層析成像法。場強對比法是坑透法中最基本、最主要的解釋方法，而計算機層析成像法(CT)則是80年代來發展起來的新方法。

坑道無線電波透視的層析成像根據衰減系數分為兩大類。通過測量場強值計算出被測區域內的衰減系數，這樣取得的二維成像圖稱作絕對衰減層析成像。若設正常地段的衰減系數等于某一常數，則用這個常數與被測區域內衰減系數相減得到的成像圖稱為相對衰減層析成像圖。這里可以用代數重建算法ART，聯合迭代算法SIRT和反投影算法BPT來求解線性方程組，求出絕對衰減和相對衰減系數的分布。經過計算機的演算處理，最后由繪圖子系統繪制坑透工作面視吸收率等值線圖、色塊圖、立體圖、灰度圖和平面交會圖等。本次使用代數重建算法進行計算，利用儀器生產方提供的解釋軟件繪制了色塊圖。

3.資料解釋

數據的解釋遵循與其它電法相同的規律與程序，即結合已知的地質、鉆探和水文等資料，從已知到未知，從點到線，從線到面，從簡單到復雜，去偽存真，由表及里的原則進行分析推斷。

3.1異常劃分方法

無線電波透視成果圖是原始觀測值通過相對衰減算法進行

3.2異常解釋方法

以人工解釋為基礎，計算機為工具，由粗到細逐步進行。人工解釋通過對主干剖面的解釋，勾繪地層總體賦存形態以及構造格局，為后期人機聯作精細解釋打下基礎；而人機操作交互解釋系統對于電磁法數據的解釋具有特殊的優越性，是精細解釋必不可少的工具。它能充分地利用人機界面對數據體進行精細解釋，具有保持追蹤功能，從而大大提高對各種地質現象的分辨率。物探異常具有相對性與多解性，需要結合已知的地質信息，按從已知到未知，從點到線，由線到面，由淺入深的原則進行綜合分析，以提高成果的可靠性和精度。

4.木擔壩煤礦10123工作面坑透實例分析

4.1工作面概況

木擔壩煤礦位于貴州省習水縣，施工地點位于10123工作面，回風巷長度971m，運輸巷長度958m，工作面傾向長度140m。煤層厚度1.0～2.4m，平均煤厚1.9m，煤層傾角5°～15°。煤層直接頂為泥巖，平均厚度約4.6m，老頂為粉砂巖，平均厚度約8.9m。煤層直接底為灰色泥巖，平均厚度約0.5m，老底為鋁土質粘土巖，平均厚度約3m。該工作面在運輸巷掘進里程102.5m處遇f18斷層，在回風巷掘進里程189m處遇f18斷層，在975m處遇f20斷層，在667m處揭露一直徑為19.6m的陷落柱。

4.2測點布置與施工

本次施工使用的儀器為WKT-7型坑道無線電波透視儀，無線電波透視探測控制區域為10123工作面掌子面向巷口方向610m區段。10123工作面回風巷物探測點以B10導線點向切眼方向27.4m為起點，編號為0號。以0號為起點，向切眼方向每10m為1個點號依次編號，共編62個測點；運輸巷物探測點以B12導線點向巷道外側方向44.4m為起點，編號為0號。以0號為起點，向切眼方向每10m為1個點號依次編號，共編62個測點。兩順槽共編124個測點。

無線電波坑透探測采用定點發射，在對應巷道扇形接收的施工方式，無線電波透視采用40m一個發射點，在對面巷道10m接收，每個發射點接收7～11點。兩順槽共布置32個發射點。每個接收點至少有7次以上的覆蓋。

4.3無線電波透視成果

本次采用無線電波透視相對衰減層析成像技術對數據進行處理，相對衰減層析成像是用相對衰減算法進行層析處理，以電磁波場強衰減系數在工作面中的相對分布進行異常圖像的重建。無線電波透視探測，共發現4處明顯的相對衰減較強異常區，分別編號為1號異常、2號異常、3號異常和4號異常區。

根據無線電波透視成果并結合已知地質資料對4處異常區段進行綜合推斷，1號異常區，10123工作面在運輸巷8～9號測點附近遇f18斷層，在回風巷16號測點附近遇f18斷層，其中f18斷層在工作面內延展，推斷該處異常區為f18斷層影響所致。2號異常區，該異常在運輸巷、回風巷掘進時未揭露地質構造，推斷該異常區為隱伏地質構造異常區。3號異常區，該異常在運輸巷掘進時未揭露地質構造，推斷該異常區為隱伏地質構造異常區。4號異常區，該異常區附近采掘過程中揭露陷落柱等地質構造，推斷該異常區為陷落柱等構造引起的地質異常區。

經過回采過程中實際揭露驗證，4個異常區均得到了驗證，驗證情況與探測推斷基本吻合，無線電波透視效果良好，無線電波透視成果圖見圖1。

圖1　10123工作面無線電波透視成果圖

5.結論

（1）無線電波透視技術是探查采煤工作面煤層中斷裂構造、陷落柱等構造發育、展布等狀況有效的礦井物探技術。通過回采前預先探測，對異常部位采取預防措施，為礦井安全生產可有效提供保障。

（2）無線電波透視技術探測時，金屬支架、接地鐵軌、電纜及其他金屬導體等可能造成干擾，探測時須采取相應的抗干擾措施。

（3）對無線電波透視成果解釋時，要結合現場的地質情況進行具體分析，解釋成果才能更準確。

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