趙昕

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淺談無線電磁波坑透技術(shù)在復(fù)雜礦井中的應(yīng)用

趙昕

（山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司，山西 長治 046500）

山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司地質(zhì)構(gòu)造條件為中等—復(fù)雜，尤以斷層和陷落柱較為發(fā)育。通過介紹坑透技術(shù)的基本原理和在金暉隆泰礦9101工作面實際探測情況，表明坑透技術(shù)是一種探測工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)異常體的有效方法，最終證明坑透法可以應(yīng)用在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井中。

坑透技術(shù)；地質(zhì)條件；復(fù)雜礦井；9101工作面

煤炭作為當(dāng)今世界主要能源之一，素有“工業(yè)糧食”之稱，在目前的不可再生能源的消費和生產(chǎn)中占具主導(dǎo)地位。而隨著煤炭被不斷開發(fā)和利用，在生產(chǎn)過程中會經(jīng)常遇到各種障礙和困難，其中探明礦井的地質(zhì)構(gòu)造，保證安全生產(chǎn)成為了最基本的前提。目前世界各國主要采用礦井鉆探、物探和巷探三種技術(shù)手段來探測礦井地質(zhì)構(gòu)造。其中，礦井物探因其快速、經(jīng)濟和直觀的特點受到了普遍的重視。而無線電磁波坑透技術(shù)（以下簡稱“坑透”）自20世紀(jì)70年代引入以來，已被推廣到全國各大煤礦中，并取得了頗為不錯的成果，是一種技術(shù)發(fā)展非常成熟的物探手段。因坑透技術(shù)具有資料采集方便快捷、儀器簡單輕巧、操作簡易、見效快等優(yōu)點，為目前國內(nèi)外工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造探查最普遍采用的物探手段。

本文以金暉隆泰礦9101工作面為例，該礦采用坑透技術(shù)對9101工作面內(nèi)部的各種地質(zhì)異常體分布和發(fā)育情況進(jìn)行探測，根據(jù)坑透結(jié)果分析工作面內(nèi)各種構(gòu)造發(fā)育情況，進(jìn)一步指導(dǎo)9101工作面的安全生產(chǎn)，最終證明坑透技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井中能夠起到較好的效果。

1 礦井地質(zhì)概況

山西金暉隆泰煤業(yè)有限公司位于山西省沁源縣王和鎮(zhèn)坡底村，設(shè)計能力90萬噸/年，井田面積7.666 3 km2。地質(zhì)構(gòu)造條件中等—復(fù)雜，尤以斷層陷落柱較為發(fā)育。礦井現(xiàn)主采太原組的9+10號煤層，煤層厚度為1.15～3.90 m，平均厚度為2.67 m，為全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，老頂為K2上石灰?guī)r，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為細(xì)粒砂巖，偶見炭質(zhì)泥巖。

2 坑透基本理論

2.1 坑透技術(shù)原理

坑透技術(shù)是通過研究高頻電磁波在巖、礦石中的傳播規(guī)律，進(jìn)而查明地下構(gòu)造形態(tài)的一種物探方法。由于地下各種巖、礦石電磁參數(shù)（電阻率和介電常數(shù)）與頻散特性等不同，所以電磁波在其中傳播時，巖層對電磁波能量會有不同程度的吸收，電阻率較低的巖層對電磁波的吸收作用較強。因此，在井下探測過程中，當(dāng)電磁波前進(jìn)方向上遇到因地質(zhì)構(gòu)造存在而造成的煤層不延續(xù)所形成的斷裂界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量的損耗。因此在工作面探測時，如果發(fā)射機發(fā)射的電磁波能量被吸收甚至完全屏蔽，同時接收機接收到的信號顯著減弱或者完全接收不到信號而形成陰影時，即表明電磁波在穿過煤層途中遇到地質(zhì)異常體（斷層、陷落柱、含水裂隙、煤層變薄區(qū)或其他構(gòu)造等），形成了透視異常區(qū)，該區(qū)域即為所要探測異常體的位置和范圍，如圖1所示。而坑透技術(shù)便是通過研究礦井內(nèi)各種地質(zhì)構(gòu)造、煤層變化和地質(zhì)異常體等對電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷和解釋。

圖1 電磁波透視法工作原理圖

2.2 坑透技術(shù)的地質(zhì)地球物理基礎(chǔ)

2.2.1 巖礦石電磁參數(shù)與頻散特性

電阻率是決定電磁波在井下吸收介質(zhì)中傳播特性的主要參數(shù)。介電常數(shù)僅在高頻和高阻地層中才明顯對電磁場產(chǎn)生影響，電介質(zhì)的介電常數(shù)是指電容器極板間充滿電介質(zhì)時，電容增大的倍數(shù)，是表征介質(zhì)在外電場作用下極化程度的物理量。頻散現(xiàn)象指巖、礦石的電磁參數(shù)隨頻率的變化而發(fā)生改變。

巖礦石由多種物質(zhì)成分組成，在交變電磁場作用下，介質(zhì)的不同組合對交變電場會呈現(xiàn)一定的阻抗，因此有效電導(dǎo)率和有效介電常數(shù)必然隨頻率不同而變化。

2.2.2 坑透法基本公式

在均勻介質(zhì)中，電磁波輻射場強用下式進(jìn)行計算：

式（1）中：為均勻介質(zhì)中某點的實測場強值；0為根據(jù)發(fā)射機發(fā)射功率和天線周圍介質(zhì)所決定的初始場強值；為介質(zhì)對電磁波的吸收系數(shù)；為觀測點到輻射源的直線距離。

在進(jìn)行坑透工作時，要根據(jù)工作面需要透視的距離選擇合適的工作頻率。當(dāng)進(jìn)行大距離透視時，應(yīng)使用較低的工作頻率，而透視距離較短時，則采用高頻率進(jìn)行探測，可以提高分辨能力。

3 CT層析成像技術(shù)

本次坑透采用CT層析成像技術(shù)進(jìn)行處理。它的基本原理是：首先將需要探測的區(qū)域按照規(guī)律劃分成一定長寬的數(shù)字網(wǎng)格，不同發(fā)射點的電磁波射線在穿過網(wǎng)格時會產(chǎn)生同一類型的衰減，然后計算得出該網(wǎng)格的數(shù)值。通過分析網(wǎng)格中的數(shù)值，就可確定煤層中異常的區(qū)域。該技術(shù)能夠充分利用電磁波在介質(zhì)傳播過程中的信息，大大提高資料解釋的精確度和可信度，增強了異常區(qū)的識別能力。根據(jù)已有探測判斷，條帶狀的異常表現(xiàn)通常為斷層構(gòu)造，圓形或橢圓形異常表現(xiàn)往往為陷落柱發(fā)育。

4 9101工作面坑透實例分析

4.1 工作面概況

9101工作面位于金暉隆泰煤礦先期開采地段東南部，主采9+10號煤層。井下位置：西起三條大巷，北部、南部為未開采地段，東至礦井邊界。工作面走向長480 m，傾向長120 m，煤層平均厚度2.67 m，上分層0.8 m，下分層1.7 m，夾矸厚0.05～0.2 m。煤層傾角為4°～15°，平均7°。9+10號煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，老頂為K2上石灰?guī)r，直接底為砂質(zhì)泥巖或泥巖，工作面掘進(jìn)過程中共揭露4條斷層，落差為0.5～2.2 m不等，陷落柱2個。

4.2 工作方法

在9101工作面透視工作進(jìn)行前，首先對工作面內(nèi)所有通電設(shè)備進(jìn)行斷電，并調(diào)查清楚工作面兩順槽錨網(wǎng)鎖等金屬支護(hù)材料、金屬管道、軌道等主要干擾因素的分布情況，以便在工作時能采取相應(yīng)措施，減少二次干擾。同時要了解已 揭露的地質(zhì)構(gòu)造等資料。

在此基礎(chǔ)上，確定最終的觀測方法，布置工作量，制訂9101工作面坑透的工作程序和時間順序表。

觀測方式采用定點法，即在工作面的一條巷道中將發(fā)射機在一定時間內(nèi)相對固定，而另一條巷道中接收機在一定范圍內(nèi)逐點觀測其場強值，又稱定點交匯法，如圖2所示。定點法觀測具有速度快捷、效率高效和易于協(xié)調(diào)等優(yōu)點。

9101工作面無線電磁波透視工作，選定膠帶順槽進(jìn)巷拐點位置處為“0”號點，在回風(fēng)順槽對應(yīng)位置開始布置起點，兩順槽內(nèi)以10米點距向靠近切眼方向布置42個測點。每個巷道設(shè)計發(fā)射點9個，總計發(fā)射點累計18個，接收數(shù)據(jù)點累計250個。

圖2 定點觀測方式示意圖

4.3 實測資料整理與解釋

4.3.1 初始場強與吸收系數(shù)的確定

在對9101工作面無線電波透視資料進(jìn)行解釋前，首先要先確定電磁波的初始發(fā)射場強0和工作面煤層衰減系數(shù).根據(jù)9101工作面無線電磁波發(fā)射點綜合曲線圖和分析結(jié)果，結(jié)合兩順槽實際情況和所采用儀器的實際發(fā)射場強范圍與9101工作面煤層的電磁參數(shù)特征，最終確定9101工作面初始發(fā)射場強0為149 db，煤層吸收系數(shù)為0.31.

4.3.2 層析成像圖資料解釋

9101工作面無線電磁波透視層析成像如圖3所示。

通過已知構(gòu)造揭露情況，對比成果圖中異常分析可以看出：①圖3中膠帶順槽Xt1異常區(qū)與實際揭露位置2～4號點對應(yīng)，推斷為陷落柱構(gòu)造的影響；②Xt3異常區(qū)與實際揭露位置12～15號點對應(yīng)，推斷為陷落柱構(gòu)造的影響；③Ft3異常區(qū)為膠帶順槽38～39號點位置斷層影響，F(xiàn)t4異常區(qū)為膠帶順槽41號點和回風(fēng)順槽37號點斷層影響。④膠帶順槽22～24號點位置揭露的斷層落差為0.5 m和0.7 m，在圖上無明顯異常反應(yīng)。Xt1、Xt3、Ft3、Ft4異常區(qū)與實際揭露的構(gòu)造相對應(yīng)，為隱伏構(gòu)造的判定提供參考依據(jù)。Ft1、Ft2和Xt2異常區(qū)推斷為隱伏構(gòu)造。Ft1、Ft2、Ft4異常呈條帶分布，推斷可能為斷層構(gòu)造影響，Xt2異常區(qū)呈圈閉狀分布，推斷可能為陷落柱構(gòu)造影響。

4.3.3 坑透結(jié)果

根據(jù)圖3，結(jié)合已有地質(zhì)資料與工作面兩順槽實際揭露情況，其工作面成果平面如圖4所示。結(jié)論如下：①Xt1、Xt3、Ft3、Ft4異常區(qū)與實際揭露的構(gòu)造相對應(yīng)，為隱伏構(gòu)造的判定提供參考依據(jù)。綜合分析推斷Xt1陷落柱長軸長35 m，短軸長11 m，為較可靠陷落柱；Xt3陷落柱長軸長25 m，短軸長16 m，為揭露較可靠陷落柱；Ft3斷層為揭露較可靠斷層，落差=0.8 m；Ft4斷層為揭露較可靠斷層，落差=2.2 m。②Ft1、Ft2、Xt2異常區(qū)為推斷隱伏構(gòu)造。Ft1、Ft2異常區(qū)呈條帶分布，推斷為斷層構(gòu)造。其中，F(xiàn)t1斷層落差=1.0 m；Ft2斷層落差=1.2 m。Xt2異常區(qū)呈圈閉狀分布，推斷為較可靠陷落柱，Xt2陷落柱長軸19 m，短軸長14 m。③Ft1、Ft2和Ft4異常區(qū)反映較明顯，異常范圍相對較大，對工作面回采有一定的影響。

圖3 9101工作面無線電磁波透視層析成像圖

圖4 9101工作面推斷解釋成果平面

5 結(jié)束語

本文介紹了在復(fù)雜地質(zhì)條件下，隆泰礦采用坑透技術(shù)對9101工作面進(jìn)行探測，不僅探清了工作面兩順槽已揭露構(gòu)造的發(fā)展情況，同時探明工作面內(nèi)的隱伏構(gòu)造，為礦上能夠提前采取措施，保證工作面安全生產(chǎn)提供地質(zhì)基礎(chǔ)資料，最終證明坑透法在可以應(yīng)用在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井中，且具有較好效果。

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2095－6835（2019）02－0148－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.148

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕