基于無線坑透法對工作面勘測應用研究分析

石 巖 張 倩 馬漢文

（潞安職業技術學院，山西 長治 046204）

煤礦井田地質賦存情況較為復雜，煤層中可能存在陷落柱、斷層以及其他構造發育情況。因而，在N1303 工作面開采之前需要進行地質勘探[1-4]，結合鉆探法和無線坑透法來相互印證，提升探測地質構造結構的成功率。

1 工程背景

潞安化工集團古城煤礦位于山西省長治市屯留縣李高鄉西李高村境內，緊鄰東河村東側、迎澤大道西側、東李高鄉北側。井田東西長約為17 km，南北寬約為15 km，井田面積為157 km2，平均埋深為520 m。以3#煤層為主采煤層，儲量為7.4 億t，年設計礦井生產能力為0.8 Mt，煤種以低硫、高熱值的貧煤為主。

古城煤礦N1303 工作面位置處于北一盤區，西側為N1302 工作面，東側為N1305 工作面。工作面推進方向長度為2230 m，工作面布置方向長度為300 m，工作面面積為6.7×105m2，煤層平均厚度為6.03 m。采用無線坑透法對3#煤層中地質變化異常區域進行精準圈定，判斷N1303 工作面煤層中是否存在隱性地質構造，其發展形態和賦存方式均影響工作面安全高效回采。

2 設備工作原理

無線坑透探測設備主要是根據礦井中不同巖性巖石對電磁波的吸收能力來判別煤層地質變化情況。若其中存在地質構造（類似陷落柱、斷層等）情況，相應設備發射的電磁波能量會被吸收，亦造成能量損失。因此，無線電波坑透法可有效判斷出工作面煤層中是否存在地質構造。每組無線電波坑透設備中發射機和接收機需分別布置在運輸巷道和回風巷道中，每組發射機所處的巷道發射點間距為50 m，而另一巷道內接收機接收點間距為10 m。每組數據中需要1 個發射點，以及可觀測的11 個點的場強值。無線坑透原理如圖1。

圖1 無線坑透原理圖

工作面無線坑透法，假設發射點C 為原點，接收點Q 到C 的距離為L，則Q 點的電磁波場強度Tq為：

式中：T0為一定發射頻率下，煤層周圍的初始場強值，A/m；α為煤層對電波的吸收能力判別系數；L為一條巷道發射點Q 到另一條巷道接收點O點的長度，m；f（δ）為方向系數。

N1303 工作面所使用的探測設備為WKT—E 型無線電波透視儀，配有發射機和接收機。通過試驗對比，當探測時使用發射和接收工作頻率為0.3 MHz。當發射機內的電磁波穿過煤層時，若煤層中存在地質構造，則接收機接收到的電磁波能量會明顯減弱，從而形成透視異常區域。

3 工作面設備布置情況

分別在N1303 工作面的兩條巷道（運輸巷道、回風巷道）中布置無線坑透法的發射點、接收點，具體的布置方案為：一條巷道內相鄰發射點間的距離為50 m，另一條巷道內相鄰接收點間的距離為10 m。因此，工作面兩條巷道分別需布置45 個發射點，全程共計需布置90 個。工作面兩條巷道需分別布置495 個接收點，全程共計需布置990 個。因此，工作面兩條巷道從開切眼到停采線測點編號均從0#～223#。

本次對N1303 工作面內坑透探測數據采集工作，從工作面停采線處（223#）開始向工作面開切眼方向（0#）進行。在依次對運輸巷道內的發射點和接收點進行采集后，在開切眼處進行交換，再進行回風巷道的點和接收點進行交會，最終得到工作面兩條巷道內的所有坑透探測測點數據。具體的巷道內發射點和接收點布置如圖2。

圖2 無線坑透法測點布置圖

4 試驗結果分析

通過對N1303 工作面兩巷所接收數據的整理，根據坑透CT 軟件系統進行場強衰減狀態判斷，代入surfer 成圖軟件中進行視電阻率反演，繼而對工作面煤層開采范圍內地質構造區域進行科學精準定位圈定。根據工作面內不同場強衰減識別結果得到綜合曲線圖（圖3）、CT 成像圖（圖4）和視電阻率反演圖（圖5）。

4.1 工作面現場場強值變化特征

根據計算得到N1303 工作面煤層內理論場強值均值為49.5 dB，具體的工作面兩巷實際坑透實測場強變化分布情況如圖3。由圖3 可以看出，隨著工作面測點從0#到223#的變化（從開切眼到停采線處），電磁波在穿過煤層時會出現不同程度的衰減波動現象。當工作面煤層為均質時，電磁波衰減程度不大，整體曲線較為平緩，無較大波動。當煤體內出現地質構造時，電磁波會出現較大幅度的衰減現象，整體曲線波動幅度較大。因此，可以發現N1303 工作面內煤層中地質構造異常區域。

圖3 工作面電磁波探測曲線圖

4.2 工作面無線電波透視CT 變化特征

由N1303 工作面運輸巷道和回風巷道內所測得的電磁波場強值計算分析，得到工作面CT 成像圖（圖4）。同時根據圖中可知，整體N1303 工作面區域內場強衰減變化在0～40 dB 時，整體衰減值變化越小，繼而得到該范圍內的煤層對電磁波的吸收能力越弱，則說明此處存在地質構造的可能性越低。相反若整體衰減值變化越大，則可得到該范圍內的煤層對電磁波的吸收能力越強，則說明此處存在地質構造的可能性越高。圈定7 處透視異常區域，具體見表1 所示。

圖4 工作面CT 成像圖

表1 N1303 工作面異常區域

4.3 工作面視電阻率反演成果

利用surfer 軟件進行數據處理，并建立工作面模型，進而得到工作面電磁波透視探測反演結果（圖5）。通過反演分析，N1303 工作面地質異常區域的漸變趨勢、形態變得更明顯。因此，視電阻率反演成果更有利于對工作面內可能存在的地質構造進行精細解釋。

圖5 N1303 工作面坑透視電阻率反演圖

4.4 鉆探和電法探測綜合結果分析

根據地質資料和鉆探結果可知，1#異常區內有一個小型陷落柱，2#異常區有一條斷層（0.5 m），3#異常區內有兩條斷層（0.5 m），4#異常區內有一個小型陷落柱，5#異常區內有兩條小斷層（0.5 m），6#異常區內有四條小斷層（0.5 m），7#異常區內有一條斷層（0.5 m）。通過N1303 工作面鉆探結果更加精準地反映無線坑透法圈定的地質異常區域范圍，繼而判斷得到3#煤層內地質構造不影響工作面的正常回采。

5 結論

采用WKT-E 無線電波透視儀（頻率為0.3 MHz）對古城煤礦N1303 工作面進行地質構造探測，共圈定7 處場強異常衰減區域。結合地質資料和現場鉆探勘測，發現存在斷層和隱伏陷落柱，為更加精準確定工作面地質構造提供依據，從而更好地保障工作面安全高效回采。