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        無線電波透視技術(shù)在礦井工作面構(gòu)造探測中的應(yīng)用

        2016-08-10 08:50:37中煤科工集團西安研究院有限公司2貴州大學
        大陸橋視野 2016年10期
        關(guān)鍵詞:構(gòu)造工作面

        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(shù)在礦井工作面構(gòu)造探測中的應(yīng)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(zhì)異常體時,電磁波被差異吸收而造成接收場強變化來發(fā)現(xiàn)并分析地質(zhì)異常體分布范圍和類型的,無線電波透視技術(shù)在礦井工作面內(nèi)部構(gòu)造探測中是一種有效的探查技術(shù)。

        【關(guān)鍵詞】無線電波;坑透;工作面;構(gòu)造

        煤礦生產(chǎn)中的各種地質(zhì)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(zhì)異常體嚴重影響煤礦安全生產(chǎn),查明地質(zhì)異常體的性質(zhì)及影響范圍等對煤礦的高效安全生產(chǎn)具有重要的指導意義。應(yīng)用無線電波透視技術(shù)可以定性到半定量地探查、分析礦井工作面內(nèi)部的各種構(gòu)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(shù)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(gòu)造所出現(xiàn)的界面,能對電磁波產(chǎn)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(fā)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(zhì)體,如礦體、水體、地質(zhì)構(gòu)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(qū)”),變換發(fā)射機與接收機的位置,測得同一異常的“陰影區(qū)”,這些“陰影區(qū)”交匯的地方,就是異常的位置。研究礦體、各種巖石及地質(zhì)構(gòu)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(zhì)推斷解釋。一般情況下,煤層電阻率與煤層頂?shù)装逯g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(guī)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?guī)r,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(zhì)異常體時,電磁波被差異吸收而造成接收場強變化來發(fā)現(xiàn)并分析地質(zhì)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(shù))的不同,當構(gòu)造發(fā)育,一方面出現(xiàn)層位錯動,局部裂隙發(fā)育,對電磁波的吸收增強,使接收的電磁波發(fā)生變化。這種電磁特征為無線電波透視探測技術(shù)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(shù)條件,如果在透視時,使發(fā)射機與接收機處在同一煤層中,可利用均勻各項同性介質(zhì)中應(yīng)用較為簡單的公式進行計算和解釋。電磁波在均勻介質(zhì)中輻射場表達式如下:

        式(1)中:Ho-決定于發(fā)射功率和天線周圍介質(zhì)的初始場強;β-介質(zhì)對電磁波能量的吸收系數(shù);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(jù)。

        坑道無線電波透視法資料解釋的目的是根據(jù)探測工作面的地質(zhì)、地球物理及透視區(qū)段的電磁參數(shù)分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)并預(yù)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(fā)展起來的新方法。

        坑道無線電波透視的層析成像根據(jù)衰減系數(shù)分為兩大類。通過測量場強值計算出被測區(qū)域內(nèi)的衰減系數(shù),這樣取得的二維成像圖稱作絕對衰減層析成像。若設(shè)正常地段的衰減系數(shù)等于某一常數(shù),則用這個常數(shù)與被測區(qū)域內(nèi)衰減系數(shù)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(shù)重建算法ART,聯(lián)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(shù)的分布。經(jīng)過計算機的演算處理,最后由繪圖子系統(tǒng)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(shù)重建算法進行計算,利用儀器生產(chǎn)方提供的解釋軟件繪制了色塊圖。

        3.資料解釋

        數(shù)據(jù)的解釋遵循與其它電法相同的規(guī)律與程序,即結(jié)合已知的地質(zhì)、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(fù)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(chǔ),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(tài)以及構(gòu)造格局,為后期人機聯(lián)作精細解釋打下基礎(chǔ);而人機操作交互解釋系統(tǒng)對于電磁法數(shù)據(jù)的解釋具有特殊的優(yōu)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(shù)據(jù)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(zhì)現(xiàn)象的分辨率。物探異常具有相對性與多解性,需要結(jié)合已知的地質(zhì)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(zhì)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(qū)域為10123工作面掌子面向巷口方向610m區(qū)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(cè)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(fā)射,在對應(yīng)巷道扇形接收的施工方式,無線電波透視采用40m一個發(fā)射點,在對面巷道10m接收,每個發(fā)射點接收7~11點。兩順槽共布置32個發(fā)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(shù)對數(shù)據(jù)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(shù)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(fā)現(xiàn)4處明顯的相對衰減較強異常區(qū),分別編號為1號異常、2號異常、3號異常和4號異常區(qū)。

        根據(jù)無線電波透視成果并結(jié)合已知地質(zhì)資料對4處異常區(qū)段進行綜合推斷,1號異常區(qū),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(nèi)延展,推斷該處異常區(qū)為f18斷層影響所致。2號異常區(qū),該異常在運輸巷、回風巷掘進時未揭露地質(zhì)構(gòu)造,推斷該異常區(qū)為隱伏地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。3號異常區(qū),該異常在運輸巷掘進時未揭露地質(zhì)構(gòu)造,推斷該異常區(qū)為隱伏地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。4號異常區(qū),該異常區(qū)附近采掘過程中揭露陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造,推斷該異常區(qū)為陷落柱等構(gòu)造引起的地質(zhì)異常區(qū)。

        經(jīng)過回采過程中實際揭露驗證,4個異常區(qū)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(jié)論

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

        (2)無線電波透視技術(shù)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(yīng)的抗干擾措施。

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

        參考文獻:

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        [2]徐衍和,董守華,李東會.無線電波坑透技術(shù)在礦井中的研究與應(yīng)用[J].江蘇地質(zhì),2007,31(1):20-24.

        [3]朱希安,尹尚先,苑守成.無線電波透視法及其應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學學報,2002,21(5):563-566.

        [4]吳榮新,劉盛東,周官群.高分辨地電阻率法探測煤礦地質(zhì)異常體[J].煤炭科學技術(shù),2007,35(7):33-38.

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