無線電波透視法對礦井隱蔽不良構造體的探測應用

王向東，尚 慧

（1.晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部趙莊煤業，山西 晉城 048000；2.晉城職業技術學院，山西 晉城 048026）

煤礦隱蔽地質災害是指由于自然地質作用或人為因素使煤礦生產地質環境惡化，并造成礦井生命財產損失或資源、環境嚴重破壞的災害事件。按照造成災害的原因，煤礦隱蔽地質災害可分為以下幾個類型：一是采空區隱患災害，包括由此造成的水害、有毒有害氣體、地表塌陷致建筑物受損等；二是井下水害，包括頂板充水層水害、煤層底板承壓水水害以及構造水害等；三是隱蔽型地質構造，包括不良發育的斷層、陷落柱等；四是其他地質災害，包括礦震、滑坡等。目前我國煤礦存在儲量多、分布廣、影響大、隱蔽災害隱患突出等特點，并且存在上升的趨勢，給礦井正常生產帶來一定威脅。

晉城唐安煤礦經過幾十年的礦井開采，已經形成了分布廣泛、大小不一的工程區或采空區。早期小窯開挖無設計、無圖紙、無記錄，對原始地質資料中關于不良構造的范圍和狀態沒有完整、詳細的記錄和數據。這些不良地質體勢必會給該礦正常生產帶來一定隱患，其中無論是構造裂隙發育程度、地質構造的復雜程度、小煤窯及老空水的影響和威脅程度都是較為突出的。為了防止和減少地質災害事故，就要做到未雨綢繆，提前對采區大小構造進行超前探測和預警，探明構造的位置、范圍及通道，以便有針對性地調整采掘工程設計和防治水工作，將礦壓、突水對礦井帶來的安全威脅降到最低。

一、無線電波透視法原理及方法

（一）原理概述

物探（地球物理）勘查是隱蔽致災地質因素勘查的重要手段。目前，用于礦井地質災害隱患物探勘查的方法很多，主要包括地震類方法（如淺層地震、瑞雷波）、電法類方法（如高密度電法、瞬變電磁法、電法CT、電測探法、中間梯度法等）。無線電波透視法（簡稱CT法），屬于物探勘查中主要的電法類勘探方法之一，近年來應用十分廣泛，尤其是對井下全空間算法解釋和處理工作面內部小構造問題都有很多獨特的優勢。

電磁波在人工激發下，向地下巖體等量傳播，由于各種巖、礦石不均一性的影響，特別是電性的差異，導致電磁波在經過它們時能量發生損耗。當波在前進過程中遇到不完整的構造，如節理、斷層、巖溶區等，會在其變化帶上形成反射和折射面，影響波的正常傳遞，形成損耗。因此，在煤礦井下，利用無線電透視儀從工作面一側發射電磁波，使其穿過其內部地質構造體時，在另一側能接收到的電磁信號可能會大打折扣,甚至完全監測不到，我們稱之為電透異常。研究采區煤系地層內各種地質異常對電磁信號的損耗程度，就可以進行煤礦井下基礎地質情況和地質災害推斷和解譯。

（二）工作方法

礦井無線電波透視法針對工作面內部探測，施工設計一般在兩條相對巷道間進行，如在運輸順槽布設發射裝置，透過煤巖層穩定輸出同一頻率的電磁波，在回風順槽通過接收裝置觀測中途電場場強數值。接收儀器將電磁波在不同介質中傳播信號的強弱快慢記錄下來，觀測點根據巷道長度多點布控，盡量選擇安放在不影響通行和周圍干擾源小的地點。觀測方式分為同步和定點兩種，同步法要求裝置發射與接收端在對應巷道等距分布，逐個點位操作，在實際中較費人工和時間，較少采用。（見圖1）

圖1 無線電波工作面同步發射與接收示意圖

定點法是先在一條巷道固定幾個發射位置（一般每隔50m布點），再安排在對應巷道從頭至尾逐點觀測。每一發射點，接收方可相應觀測10～20個點。（見圖2）施工前，先根據探測工作面實際規模由操作兩方通過對講通訊設備確定觀測點位，在觀測前，預先安排好觀測時間順序，列出時間表格，發射和接收各持一份；實施觀測計劃時，兩方嚴格按事先約定時間表操作，注意發射端天線與巷道對準角度，如無特殊需求一般為平行向，線框設置為多邊形，發射過程一定保證信號能穩定持續輸出；接收天線法向平面對準發射端朝向。

圖2 無線電波透視法定點法工作原理示意圖

二、探測實例研究

（一）研究對象工程地質概況

研究案例唐安井田位于山西省晉城礦區西北部，共劃分四個盤區。位于西部的三盤區在現有采掘活動中，發現大量的構造異常體。本例中工作面開采煤層為3號煤，地層厚度32.76～63.18m，頂板主體為中細粉砂巖，底板以泥巖與K7砂巖共層，煤層平均厚度3.2m。（見表1）該生產區域雖然經測試上部礦壓顯示不大，但已經揭露的斷裂構造、陷落柱和薄煤層等缺陷還是較多的，且周圍采空區對其形成徑向包圍，巖體所受圍壓促使其內部節理不斷擴展和發育，有全面導通不良構造體的危險。

表1 煤層情況一覽表

（二）探測實施過程

本次探測基于該礦3301工作面的進風巷和回風巷展開，探測區域內工作面長約980m+438m，面寬為220m。主要研究任務是對回采工作面內部的煤層賦存情況進行精細探查，并驗證工作面順槽及切眼已揭露隱伏小斷層、煤層減薄帶發育情況，預測其在采面內的分布及影響范圍，為工作面順利回采提供依據。

1.探測準備

（1）主要探測參數選擇

由于該方法實施的理論依據為電磁波在煤巖層中的傳播和衰減異常，而電磁波變化異常區（俗稱“陰影”異常區）會受地下未知區域很多因素共同疊加產生：如電磁波在關斷期間產生的感應二次場引起的干涉、煤巖層的物質分布不均一性、空巷對反射波的散射作用、以及頂底板的面波等干擾波，難以幫助我們準確辨別電磁異常位置；而儀器所選電流、電壓參數主要根據巖石組合、工作面大小限制，無法做出較大調整，只有選擇好儀器發射頻率才是解決干擾波問題的關鍵。為了凸顯地質異常的真正取值區間，在下井進行正式觀測之前，需要對研究目標進行反復的參數測試。經過對工作面模量和巖石電性特征實驗解釋，最終確定158KHz的儀器發射頻率為本例中實際工作參數。

（2）作業環境干擾排除措施

3301工作面巷道和巖體內部有許多人工設施設備，都是金屬材質，在實際探測過程中會對無線電波的傳導造成一定影響。如錨桿、錨網、工字鋼、支架等，對電磁波的傳播有一定引流作用；而底板鋪設的軌道、刮板輸送機，與物探儀器距離最近，有很強的電磁吸收作用。通過對3301工作面的部分鐵器干擾接近試驗數據對比，發現只要將接收天線高于或距離干擾體1.2m之外，產生二次場的影響范圍就可通過后期解譯有效去除。

2.觀測系統布置

根據觀測目的和3301工作面實際情況，在運輸順槽共布置了20/8個發射點，對每個發射點在回風順槽設置11個接收點；同時，也在回風順槽布置了同樣多的發射點位，相對巷道設置相同數量的接收天線。其中發射點間距為50m，接收點間距10m。（見圖3～4）

圖3 工作面一切眼工作面雙向無線電透視射線分布圖

圖4 工作面二切眼雙向無線電透視射線分布圖

為了一次性獲取高質量數據，本次探測設計在工作面內采用雙發雙收形式，接收點距10m，發射點距50m。發射與接收點以1:11比例在工作區域覆蓋，發射天線與電纜線保持1.2m間距。為確保資料后期解釋科學，施工嚴格按照《礦井物探工作管理辦法》進行，對現場所有采集點位進行7%的數據質量抽查，經驗證本次觀測數據真實可靠；從對本次探測任務的場源反饋質量監控結果來看，樣本總體上實測場強值在45～60db，最小值7db。從數值來看，背景干擾源不高，在15～20db之間；且工作面內顯示有較大的場強變化特征，代表樣本內部有異常反應，說明本次探測結果信噪比高，數據質量相對可靠。

（三）資料處理與解釋

經過兩級軟件反演，得到工作面實測場強曲線變化、場強疊加成像和SIRT法疊代成像圖結果。成像圖中數據值大小用不同色標表示，其中暖色調為低電磁波吸收數值，冷色調為高值。分析實測場強曲線變化（見圖5～8）：一切眼13～22#點區間（距一切眼停采線110m～220m）場強值偏低，多小于40db，說明電磁波被吸收較多，表明該段煤巖層內部可能存在缺陷；一切眼60～68#點之間（距一切眼停采線570m～620m）也出現了一個場強低谷，數值多小于50db，表面穿透性同樣較差，可能為煤巖層內部吸收作用增強；同樣的場強低值區段還依次出現在一切眼66～72#點區段（距二切眼停采線245m～330m）以及二切眼22～33#點區段（距二切眼停采線230m～330m），但并未出現明顯的場強增大區段。結合現場環境及采面地質資料，表明該工作面內部煤巖層有很大的不均一性，部分區域對電磁波的吸收作用明顯。

圖5 一切眼進風巷接收實測場強曲線圖

圖6 一切眼回風巷接收實測場強曲線圖

圖7 二切眼進風巷接收實測場強曲線圖

圖8 二切眼回風巷接收實測場強曲線圖

（四）探測結果及分析

經過綜合分析，推斷測區地質情況：一切眼13～22#點低場強區段可能為煤巖重力變化異常，這種情況多半是巖溶陷落帶、斷層或局部煤質變化、煤層減薄等因素所致；一切眼60～68#場強低值區段可能是三維地震發現的DX10陷落柱映射所致；一切眼66～72#點場強低值區段可能為鄰近空巷反映，未發現明顯信號畸變吸收異常，可不予考慮；二切眼22～33#點周圍實際揭露有兩個小型陷落柱，因此反映為低場強區域。（見圖9）

圖9 3301工作面地質反演圖

針對無線電透視圈定的場強信號異常區，在回風巷150m、450m、650m沿順層以下11°傾角方向共設計了9個鉆孔，鉆進深度約180～210m，結合回采、巷探，對工作面內部情況進行實際探查，結果如下：在二切眼230～330m區段，當回采面形成且探孔鉆至30m深度時，孔內巖粉顏色明顯變淡，遇稀鹽酸檢測起泡，鉆桿壓力釋放明顯且出現偏移，分析確定應為小型斷層和縱向串珠狀巖溶陷落柱所致；一切眼110～220m段，鉆至35m深度左右，鉆壓出現突變跡象，孔內出現少量滲水及霧氣，且有一定量石灰巖粉滲出，表明此處存在疑似陷落柱構造；對一切眼570～620m段鉆探及巷探結果，發現具備無水陷落柱構造形態特征。表明此次物探成果真實可靠，可為礦方進行正常回采活動提供預警。

三、結語

1.本研究應用無線電波透視法對工作面內部隱伏不良構造體進行精細探測，取得了良好效果。證實該技術在礦井安全保障方面符合地質勘探內在屬性規律，特別是針對體積較小、較分散的陷落柱和斷層具備判別性強、結論直觀易懂、成本較低等優勢。

2.經過對無線電波透視法下相關結果指向的異常區進行有針對性的鉆探驗證，發現75%的定向布置鉆孔鉆桿都出現不同程度的偏斜，或伴隨有大量風化物碎屑及少量灰白色滲水產生。表明本例所使用方法有效地揭露了隱藏在工作面內部的不良構造體。

3.在煤礦生產過程中，要密切關注未知區域因工程采動造成的地質后生變化情況，避免不良地質構造彼此串接。這就需要在物探、鉆探的基礎上完善整個礦井的巖石應力監測預警系統，加強頂底板管理，按照煤礦安全規范開展采掘工作，避免造成意外的地質災害事故。