無(wú)線電波透視和音頻電透視法在杭來(lái)灣煤礦地質(zhì)探查中的應(yīng)用

李治龍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

30202回采工作面位于杭來(lái)灣煤礦302盤(pán)區(qū),所采煤層為3號(hào)煤層。物探測(cè)量范圍為30202工作面從切眼到主回撤通道段,探測(cè)工作面走向長(zhǎng)度為5 718 m,傾向長(zhǎng)度為300 m。本次探測(cè)在30202工作面兩順槽進(jìn)行,采用無(wú)線電波透視及音頻電透視法,探查30202工作面內(nèi)部以及頂板以上100 m范圍內(nèi)含水層富水性、隱伏構(gòu)造及導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況；結(jié)合以往水文物探工作成果對(duì)工作面頂板富水性進(jìn)行評(píng)價(jià),為30202工作面安全回采提供物探依據(jù)。為此,選用無(wú)線電波透視法，查明30202工作面內(nèi)部隱伏構(gòu)造及導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況；選用音頻電透視法，查明頂板上100 m范圍內(nèi)地層導(dǎo)、含水性情況。具體地質(zhì)任務(wù)是:查明30202回采工作面走向長(zhǎng)度為5 718 m,內(nèi)部隱伏構(gòu)造、導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)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(duì)強(qiáng)弱,并根據(jù)以往水文、物探結(jié)果，對(duì)作業(yè)面頂板砂巖裂隙水導(dǎo)、含水性等進(jìn)行判斷。

1 方法選擇依據(jù)

槽波地震勘探[1]主要用于井下掘進(jìn)迎頭及工作面內(nèi)斷層等構(gòu)造地質(zhì)異常體的探測(cè),其具有激發(fā)能力強(qiáng)、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于井下地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)。該方法一般使用火工品作為激發(fā)震源進(jìn)行人工地震激發(fā)與接收,有效探測(cè)深度不小于500 m,但是該方法采用火工品進(jìn)行井下施工作業(yè)時(shí)具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn),且火工品采購(gòu)手續(xù)批復(fù)難度也較大。另一種用于地質(zhì)構(gòu)造異常體探測(cè)的是無(wú)線電波坑透法,該方法通過(guò)選擇不同的電磁波收發(fā)頻率,達(dá)到不同的探測(cè)深度,有效探測(cè)深度可達(dá)350 m。該方法具有施工效率高、設(shè)備輕便、安全風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn),其原理如圖1所示。結(jié)合本礦井以往物探成果,采用無(wú)線電波坑透法進(jìn)行構(gòu)造類(lèi)異常探測(cè)是行之有效的方法。因此,本次工作面物探勘探采用無(wú)線電波透視法，對(duì)內(nèi)部隱伏構(gòu)造及導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況進(jìn)行探查。

由于礦井高分辨電測(cè)深技術(shù)需要將電極布設(shè)在巷道頂板上,僅可以獲得兩個(gè)順槽頂板上一定深度范圍內(nèi)的電性剖面,對(duì)工作面內(nèi)頂板上地層電性的探測(cè)能力很有限,往往借助空間數(shù)據(jù)的數(shù)理插值進(jìn)行異常識(shí)別；此外，該方法需要前期進(jìn)行打淺鉆孔,工程量大且時(shí)間長(zhǎng)。礦井瞬變電磁法在井下的探測(cè)深度一般約為100 m,對(duì)于300 m寬的工作面,面內(nèi)探測(cè)存在較大的探測(cè)盲區(qū)。

音頻電透視法地下空間所接收到的電信號(hào)為全空間場(chǎng)的反映,為兩個(gè)二維平面半空間地電信息的綜合反映,在井下實(shí)際探測(cè)應(yīng)用中,采取相應(yīng)的措施可有效凸顯探測(cè)方向信號(hào)的目的。該方法電場(chǎng)傳播受井巷表面金屬導(dǎo)體等的影響較小,在相似地質(zhì)條件下處理計(jì)算的視電導(dǎo)率具有可比性。因此,在工作面頂板水探測(cè)中,將發(fā)射電極和接收電極匝在巷道側(cè)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(zhì)體對(duì)觀測(cè)信號(hào)的影響,從而達(dá)到探測(cè)目的。本文根據(jù)周邊礦區(qū)頂板物探應(yīng)用效果并結(jié)合煤礦實(shí)際情況[2-5]進(jìn)行分析。

圖1 無(wú)線電波透視探測(cè)原理示意圖

2 儀器設(shè)備

2.1 無(wú)線電波透視儀

本次勘探使用YDT-88型礦用無(wú)線電波透視儀。該儀器為礦用本質(zhì)安全型,有4個(gè)頻點(diǎn)(88，158，365，965 kHz)可供選用,針對(duì)本次工作面情況采用88 kHz進(jìn)行施測(cè)[6]。

2.2 音頻電透視儀

本次音頻電透視探測(cè)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(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)發(fā)。該儀器由供電機(jī)、接收機(jī)兩個(gè)箱體組成。供電機(jī)以一定頻率向地層中發(fā)射電信號(hào),本次勘探使用16,64,128 Hz共三個(gè)頻率,90 V供電源進(jìn)行探測(cè);接收機(jī)在一定區(qū)域接收等頻信號(hào)[7-8]。其主要特點(diǎn):發(fā)射、接收頻率為8，16，32，64，128 Hz;接收機(jī)采用8個(gè)通道實(shí)時(shí)并行接收,大大提高了探測(cè)效率。系統(tǒng)提供單頻發(fā)射、接收,多個(gè)頻率順序發(fā)射、接收,混頻發(fā)射、接收。混頻發(fā)射將多個(gè)頻率進(jìn)行混合,同時(shí)發(fā)射,YBT32接收機(jī)可同時(shí)對(duì)混頻中不同頻率進(jìn)行解編;發(fā)射機(jī)提供功率為30 V/180 mA、45 V/120 mA、90 V/50 mA,發(fā)射時(shí)儀器根據(jù)地質(zhì)情況自動(dòng)選擇最佳的發(fā)射電壓;采用特殊數(shù)字信號(hào)處理手段,對(duì)低至幾個(gè)微伏的微弱信號(hào)進(jìn)行有效提取;儀器對(duì)50 Hz的工頻信號(hào)抑制能力達(dá)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(wú)線電波透視觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理一般包含:新建工程、原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測(cè)系統(tǒng)建立、反演成像、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、其他輔助工具進(jìn)行成圖等部分[9],如圖4所示。

圖3 資料處理流程圖

圖4 無(wú)線電波透視資料處理流程圖

新建工程及原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入,該功能下可根據(jù)實(shí)際探測(cè)情況進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的錄入,觀測(cè)系統(tǒng)建立后可查看觀測(cè)數(shù)據(jù),支持綜合曲線圖、實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖等的預(yù)覽等。此外軟件支持吸收系數(shù)反演并可導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3.2 礦井音頻電透視資料處理

音頻電透視觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理一般包含：新建工程、原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測(cè)系統(tǒng)建立、反演成像、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、其他輔助工具進(jìn)行成圖等部分[10-11]。

3) TaskService：提供對(duì)用戶Task和Form的相關(guān)操作及運(yùn)行時(shí)任務(wù)查詢、領(lǐng)取、完成、刪除和變量設(shè)置等功能。

新建工程及原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入:利用YBT32儀器配套軟件工程新建后,進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入,按流程分別讀取工作面探測(cè)發(fā)射巷數(shù)據(jù)和接收巷數(shù)據(jù)。

觀測(cè)系統(tǒng)建立:新建工程和觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,經(jīng)必要的數(shù)據(jù)檢查和預(yù)處理后開(kāi)始建立觀測(cè)系統(tǒng)。

反演計(jì)算成像:該命令可進(jìn)行工作面探測(cè)數(shù)據(jù)的CT成像反演計(jì)算,計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率觀測(cè)視電導(dǎo)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(duì)無(wú)線電波透視探測(cè)資料和音頻電透視探測(cè)資料進(jìn)行資料處理,可形成相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)等值線平面圖、吸收系數(shù)等值線平面圖和音頻電透視異常平面圖。[12-13]

4.1 無(wú)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(diǎn))范圍,近貫穿工作面分布,實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)小于30 dB,異常吸收系數(shù)大于0.006,推斷該異常為煤層發(fā)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(diǎn))范圍,近貫穿工作面分布,異常主要分布于30202膠運(yùn)順槽側(cè),實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)小于30 dB,異常吸收系數(shù)大于0.006,推斷該異常為煤層發(fā)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(diǎn))范圍,近貫穿工作面分布,異常主要分布于30202膠運(yùn)順槽側(cè),實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)小于30 dB,異常吸收系數(shù)大于0.006,推斷該異常為煤層發(fā)育的裂隙或破碎松軟的反映,如表1所示。

表1 無(wú)線電波透視異常情況表

綜上分析,本次工作面坑透探測(cè)圈定3處較明顯異常區(qū),三處異常范圍均較大,但強(qiáng)度較低,反映了異常區(qū)分布范圍內(nèi)可能存在較明顯的煤層介質(zhì)變化特征,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料推測(cè)該處為煤層破碎程度高或松軟的反映。本次探測(cè)工作面內(nèi)無(wú)明顯斷層及隱伏構(gòu)造,由于探測(cè)工作面為厚煤層,無(wú)線電波透視法對(duì)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(jìn)一步推斷,如圖5所示。

圖5 30202工作面無(wú)線電波透視異常平面圖

4.2 音頻電透視探測(cè)成果及分析

結(jié)合已有掘進(jìn)、鉆探等地質(zhì)資料,對(duì)工作面底板不同頻率視電導(dǎo)率等值線平面圖進(jìn)行分析解釋。以工作面進(jìn)風(fēng)巷停采線位置為坐標(biāo)原點(diǎn),建立直角坐標(biāo)系,異常位置的描述依此坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)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(cè)視電導(dǎo)率異?？臻g效果圖

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

4.2.230202工作面64 Hz工作頻率探測(cè)視電導(dǎo)率異常平面圖分析

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

4.2.330202工作面16 Hz工作頻率探測(cè)視電導(dǎo)率異常平面圖分析

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

縱向比較上述5個(gè)異常,YC1異常在頂板70～100 m段有顯示,異常范圍和強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度變大,如圖6所示。

4.3 工作面異常區(qū)綜合地質(zhì)解釋

根據(jù)前文所述無(wú)線電波透視探測(cè)資料,結(jié)合已有地質(zhì)資料分析，對(duì)本次勘探圈定的工作面內(nèi)異常區(qū)域進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋如下。

1)KC1異常區(qū):位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約900～1 050 m段,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料及現(xiàn)狀分析認(rèn)為，可能為工作面內(nèi)局部煤層介質(zhì)松軟或相對(duì)較破碎的反映。

2)KC2異常區(qū):位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約2 440～ 620 m段,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料及現(xiàn)狀分析認(rèn)為，可能為工作面內(nèi)局部煤層介質(zhì)松軟或相對(duì)較破碎的反映。

3)KC3異常區(qū):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(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料及現(xiàn)狀分析認(rèn)為，可能為工作面內(nèi)局部煤層介質(zhì)松軟或相對(duì)較破碎的反映。

音頻電透視法圈定異常5處,對(duì)比兩種物探方法探測(cè)異常成果可以看出,無(wú)線電波透視異常與音頻電透視法異常沒(méi)有明顯聯(lián)系,表明無(wú)線電波透視異常的區(qū)域沒(méi)有明顯的導(dǎo)含水。

5 結(jié)論

1)30202工作面通過(guò)無(wú)線電波透視探測(cè)得到實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)圖和吸收系數(shù)CT成像圖,共圈定異常區(qū)3處,編號(hào)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度較弱。結(jié)合已有地質(zhì)資料分析，異常可能為局部煤層松軟或裂隙發(fā)育程度較高的反映。本次無(wú)線電波透視法未圈定出斷層等隱伏地質(zhì)構(gòu)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(wú)線電波透視法很難反映出局部的煤層厚度變化情況,對(duì)于裂隙集中發(fā)育區(qū)等仍有一定的反映能力。

2)30202工作面通過(guò)音頻電透視法探測(cè)得到工作面內(nèi)不同層段視電導(dǎo)率等值線平面圖,根據(jù)異常特征結(jié)合探測(cè)層段水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析,共圈定異常5處,分別編號(hào)為YC1、YC2、YC3、YC4和YC5。本次探測(cè)工作未圈定出明顯的導(dǎo)含水構(gòu)造,僅在煤層頂板圈定5處相對(duì)賦水區(qū),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(jù)異常范和強(qiáng)度分析,其富水性弱。

3)無(wú)線電波透視和音頻電透視探測(cè)在探查煤礦地質(zhì)構(gòu)造和頂板上100 m范圍內(nèi)含水層富水性具有很強(qiáng)的操作性,通過(guò)回采過(guò)程實(shí)際對(duì)照驗(yàn)證,準(zhǔn)確度較高,值得在煤礦地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中推廣使用。