左汪會(huì)++吳榮新

摘 要：無線電波透視技術(shù)作為探測(cè)煤層工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造常用的一種技術(shù)手段，其具有快速、輕便、成本低的特點(diǎn)。本文從分析坑透反演所需原始實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值數(shù)據(jù)量的角度出發(fā)，在等接收范圍內(nèi)減小測(cè)點(diǎn)間距以豐富實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量，結(jié)合張集礦某工作面現(xiàn)場(chǎng)探查，將常規(guī)接收間距由10米縮短至5米，探測(cè)結(jié)果表明基于5米小接收間距的無線電波探測(cè)方式較10米常規(guī)接收間距具有更好的探測(cè)效果。

關(guān)鍵詞：煤層工作面；接收間距；無線電波透視

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.060

0 引言

在現(xiàn)代化煤礦的生產(chǎn)過程中，隨著綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工作面地質(zhì)構(gòu)造異常的準(zhǔn)確定位、發(fā)育程度以及影響范圍的認(rèn)知必須得到相應(yīng)的提高[1-3]。同時(shí)，伴隨著開采水平的延伸和開采深度的不斷加大，地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜。礦井無線電波透視技術(shù)是煤礦中常用的一種地球物理勘查方法，常用來對(duì)煤層回采工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探查，其具有快速、輕便、透距大、精度高的特點(diǎn)，對(duì)工作面內(nèi)陷落柱、斷層、薄煤區(qū)等地質(zhì)異常體探查效果良好[4] 。因此研究無線電波透視向高精度反演以此來提高地質(zhì)異常體精確定位，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義。

1 無線電波透視原理及其工作方式

1.1 無線電波透視原理

無線電波透視法又稱坑透，屬于地下電磁波法的一類。電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖礦石的電性（電阻率ρ、介電常數(shù)ε）存在差異，不同介質(zhì)對(duì)電磁波吸收能力不同。在電磁波穿越煤層的途徑內(nèi)，當(dāng)遇到與煤層電性不同的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，諸如斷層、薄煤層、陷落柱等，電磁波能量會(huì)被其吸收或完全屏蔽，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)明顯下降甚至接收不到信號(hào)，進(jìn)而形成透射異常區(qū)。電磁波在煤層中場(chǎng)強(qiáng)衰減規(guī)律可利用其在均勻介質(zhì)中的傳播公式表時(shí)，如下所示：

（1）

公式中：H0為偶極子發(fā)射功率及天線周圍煤層的初始場(chǎng)強(qiáng)；β為介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；r為反射點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，為發(fā)射線圈平面法線與觀測(cè)點(diǎn)方向的夾角。

1.2 無線電波工作方法

無線電波透視觀測(cè)方式包括定點(diǎn)法觀測(cè)和同步法觀測(cè)兩種方式，常采用定點(diǎn)法觀測(cè)，即在一條巷道中設(shè)置發(fā)射點(diǎn)，利用坑透儀發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁波信號(hào)，在另一條巷道中布置接收段信號(hào)段，利用坑透儀器接收機(jī)逐點(diǎn)接收電磁波場(chǎng)強(qiáng)，觀測(cè)射線呈扇形分布。對(duì)回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷中發(fā)射點(diǎn)及對(duì)應(yīng)接收段逐站進(jìn)行探測(cè)，完成整個(gè)工作面的透視探測(cè)。

2 工作面探測(cè)及對(duì)比分析

2.1 工作面地質(zhì)條件概況

本次探測(cè)選取淮南礦區(qū)張集礦某煤層工作面，位于-600m水平東一上采區(qū)，工作面斜長(zhǎng)2450m，，走向長(zhǎng)度為160m，該工作面所處區(qū)段主采煤層13-1煤在構(gòu)造上呈寬緩的一背斜，并發(fā)育次一級(jí)小褶曲，煤層產(chǎn)狀變化不大，傾角為2～6。主采煤層為13-1層煤，上部局部賦存一兩層厚約0.2～0.5m的煤線以及一層夾矸。煤層穩(wěn)定，局部手構(gòu)造影響，煤層變薄、變軟。煤層厚度為3.1～5.8m，平均厚度為4.1m。煤呈一塊狀為主，弱玻璃光澤。煤層直接頂為灰色～深灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖，局部夾一兩層厚約0.2～0.5m的煤線，其中Fg5斷層附近直接頂板缺失，厚度0～6.0m；煤層直接底厚度9.5～16.8m，為灰～深灰色泥巖或砂質(zhì)泥巖，發(fā)育13-1下煤，其厚為0.4～1.3m，距13-1煤層法距0.2～1.6m。

2.2 施工布置與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

本次無線電波探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采用兩種接收間距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別為常規(guī)接收間距10m和小接收間距5m，發(fā)射點(diǎn)間距均為50m，發(fā)射頻率為0.365MHZ。本次探測(cè)采用定點(diǎn)發(fā)射的觀測(cè)方式，按照事先安排好觀測(cè)約定時(shí)間序列，列出時(shí)間表格，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)嚴(yán)格按時(shí)間表執(zhí)行。兩種接收間距的探測(cè)方式均在回風(fēng)順槽布置、運(yùn)輸順槽布置25個(gè)、23個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在等接收段距離內(nèi)，10米接收間距對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集量為21個(gè)，5米接收間距對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集量為41個(gè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本次探測(cè)分別采用接收點(diǎn)距為5米和10米、發(fā)射點(diǎn)距為50米的工作方式，在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)記錄每一測(cè)站對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，探測(cè)結(jié)束后，通過錄入數(shù)據(jù)和無線電波透視處理軟件ECT的初步處理，獲得如下射線分布圖，如圖1所示。從圖中射線分布密度可知，基于5米的接收間距的探測(cè)方式的射線密度明顯大于10米的接收間距探測(cè)方式，從數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)數(shù)量上可得知，5米接收間距探測(cè)方式獲得的數(shù)據(jù)量是10米接收間距的兩倍，這為后期電磁波資料處理提供了更為豐富的數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)于層析成像反演解不定方程所需的數(shù)據(jù)量。除此之外還獲得了基于10米和5米不同接收間距探測(cè)方式所對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)綜合曲線圖， 5米接收接收間距和10米接收間距探測(cè)方式所獲得的工作面實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖，如下圖2所示。

2.4 坑透數(shù)據(jù)解釋

比較5米、10米接收間距分別對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布可知，兩種間距探測(cè)對(duì)工作面內(nèi)的異常構(gòu)造都有明顯的反映，說明了無線電波透視對(duì)構(gòu)造探測(cè)的有效性。其中前者對(duì)確定異常構(gòu)造分的位置、分布范圍較后者更加精確。

在分別獲得不同接收間距的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖的基礎(chǔ)上，經(jīng)過基于SIRT反演算法的層析成像獲取不同網(wǎng)格劃分尺度下的層析成像圖，并疊加在工作面實(shí)際開采所揭露的構(gòu)造分布圖上可定量分析異常構(gòu)造的位置、分布范圍，如下圖3所示。

如圖3所示：?jiǎn)卧W(wǎng)格邊長(zhǎng)為5m的SIRT反演結(jié)果：對(duì)落差≥1/2煤厚斷層F2、F6、F7、F8反映顯著，位置控制較好，斷層影響區(qū)表現(xiàn)為顯著的高吸收系數(shù)值0.025～0.05dB/m；對(duì)落差<1/2煤厚斷層F1及薄煤區(qū)反映較顯著；對(duì)落差≤1/3煤厚斷層F3、F5、F9、F10及F11有一定反映；對(duì)落差≤1/3煤厚斷層F4反映不明顯。

如圖所示：?jiǎn)卧W(wǎng)格邊長(zhǎng)為10m的SIRT反演結(jié)果：對(duì)落差≥1/2煤厚斷層F2、F6、F7、F8反映顯著，位置控制較好，斷層影響區(qū)表現(xiàn)為顯著的高吸收系數(shù)值0.025～0.05dB/m；對(duì)落差<1/2煤厚斷層F1及薄煤區(qū)反映較顯著；對(duì)落差≤1/3煤厚斷層F3、F5、F9、F10及F11有一定反映；對(duì)落差≤1/3煤厚斷層F4反映不明顯。

綜合比較分析可得知，單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5m的SIRT反演結(jié)果反演結(jié)果中F6與F7、F8與薄煤區(qū)界線較清楚，對(duì)地質(zhì)異常的分辨明顯優(yōu)于單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)為10m的SIRT反演結(jié)果。

3 結(jié)論

針對(duì)本次將不同接收間距應(yīng)用到具體工作面構(gòu)造探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

（1）煤層工作面無線電波探測(cè)對(duì)圈出工作面內(nèi)異常構(gòu)造確切有效，且能圈出異常區(qū)的位置、展布范圍。

（2）對(duì)于兩種不同接收間距的探測(cè)方式所獲取的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)層析成像均能對(duì)工作面內(nèi)構(gòu)造異常有所響應(yīng)，其中小間距5米探測(cè)較10接收接收間距更能精確的確定斷層的位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳榮新，劉盛東，肖玉林，徐翀.工作面無線電波透視實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分析及應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2010，31（1增刊）：435-440.

[2]岳洪波，李東會(huì).礦井小構(gòu)造與瓦斯的坑道無線電磁波透視法應(yīng)用分析[J].礦業(yè)快報(bào)，2007（04）：65-66.

[3]高一峰.無線電波透視在煤礦中的應(yīng)用[J].物探與化探，2007，31

（增刊）：105-108.

[4]張旻舳，師學(xué)明.電磁波層析成像技術(shù)進(jìn)展[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2009（04）：418-422.