無線電波透視和音頻電透視法在杭來灣煤礦地質探查中的應用

李治龍

(陜西有色榆林煤業有限公司,陜西 榆林 719000)

30202回采工作面位于杭來灣煤礦302盤區,所采煤層為3號煤層。物探測量范圍為30202工作面從切眼到主回撤通道段,探測工作面走向長度為5 718 m,傾向長度為300 m。本次探測在30202工作面兩順槽進行,采用無線電波透視及音頻電透視法,探查30202工作面內部以及頂板以上100 m范圍內含水層富水性、隱伏構造及導含水構造裂隙發育情況；結合以往水文物探工作成果對工作面頂板富水性進行評價,為30202工作面安全回采提供物探依據。為此,選用無線電波透視法，查明30202工作面內部隱伏構造及導含水構造裂隙發育情況；選用音頻電透視法，查明頂板上100 m范圍內地層導、含水性情況。具體地質任務是:查明30202回采工作面走向長度為5 718 m,內部隱伏構造、導含水構造裂隙發育情況；查明30202工作面巖石中富水化異常帶的分布程度和相對強弱,并根據以往水文、物探結果，對作業面頂板砂巖裂隙水導、含水性等進行判斷。

1 方法選擇依據

槽波地震勘探[1]主要用于井下掘進迎頭及工作面內斷層等構造地質異常體的探測,其具有激發能力強、探測精度高等優點，廣泛應用于井下地質構造的探測。該方法一般使用火工品作為激發震源進行人工地震激發與接收,有效探測深度不小于500 m,但是該方法采用火工品進行井下施工作業時具有一定的安全風險,且火工品采購手續批復難度也較大。另一種用于地質構造異常體探測的是無線電波坑透法,該方法通過選擇不同的電磁波收發頻率,達到不同的探測深度,有效探測深度可達350 m。該方法具有施工效率高、設備輕便、安全風險低等優點,其原理如圖1所示。結合本礦井以往物探成果,采用無線電波坑透法進行構造類異常探測是行之有效的方法。因此,本次工作面物探勘探采用無線電波透視法，對內部隱伏構造及導含水構造裂隙發育情況進行探查。

由于礦井高分辨電測深技術需要將電極布設在巷道頂板上,僅可以獲得兩個順槽頂板上一定深度范圍內的電性剖面,對工作面內頂板上地層電性的探測能力很有限,往往借助空間數據的數理插值進行異常識別；此外，該方法需要前期進行打淺鉆孔,工程量大且時間長。礦井瞬變電磁法在井下的探測深度一般約為100 m,對于300 m寬的工作面,面內探測存在較大的探測盲區。

音頻電透視法地下空間所接收到的電信號為全空間場的反映,為兩個二維平面半空間地電信息的綜合反映,在井下實際探測應用中,采取相應的措施可有效凸顯探測方向信號的目的。該方法電場傳播受井巷表面金屬導體等的影響較小,在相似地質條件下處理計算的視電導率具有可比性。因此,在工作面頂板水探測中,將發射電極和接收電極匝在巷道側幫靠近頂板處,以下部煤層為高阻“屏蔽”層,可有效減弱底板地質體對觀測信號的影響,從而達到探測目的。本文根據周邊礦區頂板物探應用效果并結合煤礦實際情況[2-5]進行分析。

圖1 無線電波透視探測原理示意圖

2 儀器設備

2.1 無線電波透視儀

本次勘探使用YDT-88型礦用無線電波透視儀。該儀器為礦用本質安全型,有4個頻點(88，158，365，965 kHz)可供選用,針對本次工作面情況采用88 kHz進行施測[6]。

2.2 音頻電透視儀

本次音頻電透視探測工作使用的儀器為YBT-32型防爆音頻電透視儀,由福州華虹智能科技開發有限公司開發。該儀器由供電機、接收機兩個箱體組成。供電機以一定頻率向地層中發射電信號,本次勘探使用16,64,128 Hz共三個頻率,90 V供電源進行探測;接收機在一定區域接收等頻信號[7-8]。其主要特點:發射、接收頻率為8，16，32，64，128 Hz;接收機采用8個通道實時并行接收,大大提高了探測效率。系統提供單頻發射、接收,多個頻率順序發射、接收,混頻發射、接收。混頻發射將多個頻率進行混合,同時發射,YBT32接收機可同時對混頻中不同頻率進行解編;發射機提供功率為30 V/180 mA、45 V/120 mA、90 V/50 mA,發射時儀器根據地質情況自動選擇最佳的發射電壓;采用特殊數字信號處理手段,對低至幾個微伏的微弱信號進行有效提取;儀器對50 Hz的工頻信號抑制能力達到120 dB以上,如圖2所示。

圖2 工作面音頻電透視法示意圖

3 資料處理與解釋

3.1 處理流程

資料處理流程如圖3所示。無線電波透視觀測數據的處理一般包含:新建工程、原始數據導入、數據預處理、觀測系統建立、反演成像、數據導出、其他輔助工具進行成圖等部分[9],如圖4所示。

圖3 資料處理流程圖

圖4 無線電波透視資料處理流程圖

新建工程及原始數據導入,該功能下可根據實際探測情況進行原始數據的錄入,觀測系統建立后可查看觀測數據,支持綜合曲線圖、實測場強曲線圖等的預覽等。此外軟件支持吸收系數反演并可導出數據。

3.2 礦井音頻電透視資料處理

音頻電透視觀測數據的處理一般包含：新建工程、原始數據導入、數據預處理、觀測系統建立、反演成像、數據導出、其他輔助工具進行成圖等部分[10-11]。

3) TaskService：提供對用戶Task和Form的相關操作及運行時任務查詢、領取、完成、刪除和變量設置等功能。

新建工程及原始數據導入:利用YBT32儀器配套軟件工程新建后,進行數據導入,按流程分別讀取工作面探測發射巷數據和接收巷數據。

觀測系統建立:新建工程和觀測數據導入后,經必要的數據檢查和預處理后開始建立觀測系統。

反演計算成像:該命令可進行工作面探測數據的CT成像反演計算,計算出對應頻率觀測視電導率等值線平面圖。

4 成果資料分析與解釋

按照前述資料處理和解釋原則,分別對無線電波透視探測資料和音頻電透視探測資料進行資料處理,可形成相對應的實測場強等值線平面圖、吸收系數等值線平面圖和音頻電透視異常平面圖。[12-13]

4.1 無線電波透視成果及分析

KC1異常橫向位于距切眼900～1 050 m(90#-105#點)范圍,近貫穿工作面分布,實測場強小于30 dB,異常吸收系數大于0.006,推斷該異常為煤層發育的裂隙或破碎松軟的反映;KC2異常橫向位于距切眼2 440～2 620 m(244#-262#點)范圍,近貫穿工作面分布,異常主要分布于30202膠運順槽側,實測場強小于30 dB,異常吸收系數大于0.006,推斷該異常為煤層發育的裂隙或破碎松軟的反映;KC3異常橫向位于距切眼2 950～3 090 m(295#-309#點)范圍,近貫穿工作面分布,異常主要分布于30202膠運順槽側,實測場強小于30 dB,異常吸收系數大于0.006,推斷該異常為煤層發育的裂隙或破碎松軟的反映,如表1所示。

表1 無線電波透視異常情況表

綜上分析,本次工作面坑透探測圈定3處較明顯異常區,三處異常范圍均較大,但強度較低,反映了異常區分布范圍內可能存在較明顯的煤層介質變化特征,結合順槽掘進地質資料推測該處為煤層破碎程度高或松軟的反映。本次探測工作面內無明顯斷層及隱伏構造,由于探測工作面為厚煤層,無線電波透視法對沖刷厚度較小的沖刷帶及變化范圍有限的煤層厚度變化反映不明顯,未做進一步推斷,如圖5所示。

圖5 30202工作面無線電波透視異常平面圖

4.2 音頻電透視探測成果及分析

結合已有掘進、鉆探等地質資料,對工作面底板不同頻率視電導率等值線平面圖進行分析解釋。以工作面進風巷停采線位置為坐標原點,建立直角坐標系,異常位置的描述依此坐標系統進行[14](如圖6所示)。

圖6 30202工作面頂板100 m范圍音頻電透視探測視電導率異常空間效果圖

頂板128 Hz工作頻率探測視電導率異常成果圖,共圈定4處高視電導率異常(編號為YC2、YC3、YC4和YC5)。YC2異常位于30201輔運順槽邊部,距切眼約4 900～5 250 m(490#-525#點)段,向工作面內延伸約110 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低;YC3異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約920～1 420 m(92#-142#點)段,向工作面內延伸約97 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低;YC4異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約1 970～2 350 m(197#-235#點)段,向工作面內延伸約148 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低;YC5異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約3 450～3 830 m(345#-383#點)段,向工作面內延伸約137 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低。

4.2.230202工作面64 Hz工作頻率探測視電導率異常平面圖分析

頂板64 Hz工作頻率探測視電導率異常成果圖,共圈定4處高視電導率異常(編號為YC1、YC3、YC4和YC5)。YC1異常位于30201輔運順槽邊部,距切眼約4 210～4 360 m(421#-436#點)段,向工作面內延伸約85 m,呈片狀分布,異常范圍較小,強度較低;YC3異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約1 060～1 330 m(106#-133#點)段,向工作面內延伸約62 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低;YC4異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約1 980～2 130 m(198#-213#點)段,向工作面內延伸約55 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低;YC5異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約3 370～3 720 m(337#～372#點)段,向工作面內延伸約75 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低。

4.2.330202工作面16 Hz工作頻率探測視電導率異常平面圖分析

頂板16 Hz工作頻率探測視電導率異常成果圖,共圈定3處高視電導率異常(編號為YC1、YC4和YC5)。YC1異常位于30201輔運順槽邊部,距切眼約4 200～4 320 m(420#-432#點)段,向工作面內延伸約106 m,呈片狀分布,異常范圍較小,強度較低;YC4異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約1 870～2 200 m(187#-220#點)段,向工作面內延伸約97 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低;YC5異常位于30202膠運順槽邊部,距切眼約3 640～3 830 m(364#～383#點)段,向工作面內延伸約78 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強度較低。

縱向比較上述5個異常,YC1異常在頂板70～100 m段有顯示,異常范圍和強度變化不大,到頂板上40 m層附近未再顯示;YC2異常僅在頂板上40 m層段附近有顯示,異常范圍較大,強度較低;YC3異常在頂板上40～70 m附近有顯示,異常范圍較大,強度較小;YC4和YC5異常在頂板40～100 m段均有顯示,往下部異常范圍和強度變大,如圖6所示。

4.3 工作面異常區綜合地質解釋

根據前文所述無線電波透視探測資料,結合已有地質資料分析，對本次勘探圈定的工作面內異常區域進行綜合地質解釋如下。

1)KC1異常區:位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約900～1 050 m段,結合順槽掘進地質資料及現狀分析認為，可能為工作面內局部煤層介質松軟或相對較破碎的反映。

2)KC2異常區:位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約2 440～ 620 m段,結合順槽掘進地質資料及現狀分析認為，可能為工作面內局部煤層介質松軟或相對較破碎的反映。

3)KC3異常區:位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約2 950～3 090 m段,結合順槽掘進地質資料及現狀分析認為，可能為工作面內局部煤層介質松軟或相對較破碎的反映。

音頻電透視法圈定異常5處,對比兩種物探方法探測異常成果可以看出,無線電波透視異常與音頻電透視法異常沒有明顯聯系,表明無線電波透視異常的區域沒有明顯的導含水。

5 結論

1)30202工作面通過無線電波透視探測得到實測場強圖和吸收系數CT成像圖,共圈定異常區3處,編號分別為KC1、KC2和KC3。KC1異常位于工作面距切眼約900～1 050 m處,近貫穿工作面分布,異常范圍較小,強度較弱;KC2異常位于工作面距切眼約2 440～2 620 m處,近貫穿工作面分布,異常范圍較小,強度較弱;KC3異常位于工作面距切眼約2 950～3 090 m處,近貫穿工作面分布,異常范圍較小,強度較弱。結合已有地質資料分析，異常可能為局部煤層松軟或裂隙發育程度較高的反映。本次無線電波透視法未圈定出斷層等隱伏地質構造;工作面所在3#煤為厚煤層,煤層存在一定的厚度變化特征,本次利用無線電波透視法很難反映出局部的煤層厚度變化情況,對于裂隙集中發育區等仍有一定的反映能力。

2)30202工作面通過音頻電透視法探測得到工作面內不同層段視電導率等值線平面圖,根據異常特征結合探測層段水文地質條件進行綜合分析,共圈定異常5處,分別編號為YC1、YC2、YC3、YC4和YC5。本次探測工作未圈定出明顯的導含水構造,僅在煤層頂板圈定5處相對賦水區,分析其為砂巖裂隙局部含水較多的反映,其中YC4和YC5異常在垂向上延伸特征明顯,但根據異常范和強度分析,其富水性弱。

3)無線電波透視和音頻電透視探測在探查煤礦地質構造和頂板上100 m范圍內含水層富水性具有很強的操作性,通過回采過程實際對照驗證,準確度較高,值得在煤礦地質預測預報中推廣使用。