楊高峰，衛(wèi)金善，楊新亮，竇文武

(山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

0 引言

受多期次構(gòu)造運動疊加影響，華北石炭二疊系煤田地質(zhì)條件復(fù)雜。煤礦回采工作面常因未能提前查清陷落柱、斷層等地質(zhì)異常體而導(dǎo)致減產(chǎn)、停產(chǎn)、甚至重新布置工作面，嚴(yán)重制約礦井安全高效生產(chǎn)[1-2]。當(dāng)前，用于探測回采工作面地質(zhì)異常體的物探技術(shù)主要有地面三維地震法、井下無線電波透視法和槽波地震法等，其中尤以無線電波透視法最為廣泛使用[3-5]。前人通過無線電波透視技術(shù)對回采工作面內(nèi)陷落柱、隱伏斷層、沖刷帶、煤層破碎帶等地質(zhì)異常體進(jìn)行了探測，有效指導(dǎo)了安全回采[6-8]。隨著生產(chǎn)工藝改進(jìn)，回采工作面設(shè)計寬度逐漸增大，如此則導(dǎo)致無線電波透視施工時電磁波不能有效穿透煤層，致使物探結(jié)果不能準(zhǔn)確反映地質(zhì)異常體發(fā)育特征。低頻率、大透距無線電波透視儀的研發(fā)與應(yīng)用成為解決這一問題的關(guān)鍵。有學(xué)者通過優(yōu)化探測工藝、降低發(fā)射頻率、改變接收天線大小形狀等方式對大面寬回采工作面進(jìn)行探測[9-11]，一定程度上提高了探測精度。

以山西晉煤集團(tuán)某礦4308回采工作面為研究對象，通過YDT88無線電波透視儀對其內(nèi)部地質(zhì)異常體發(fā)育情況進(jìn)行探測，并結(jié)合實際回采驗證情況，以期明確該儀器在大面寬回采工作面地質(zhì)異常體探測中的可行性，并為晉城礦區(qū)其他回采工作面地質(zhì)異常體探測提供一定借鑒。

1 回采工作面探測

1.1 工作面概況

4308回采工作面由43081巷、43082巷及切眼圈定，走向長1 520 m，傾向?qū)?00 m，回采煤層為二疊系山西組3號無煙煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤厚4.8～5.6 m。工作面整體為一傾向北西的單斜構(gòu)造，受東部區(qū)域構(gòu)造晉獲斷裂帶控制，該工作面地質(zhì)異常體發(fā)育。圈定過程中兩順槽曾揭露斷距1 m以下小型斷層5條、斷距6 m以上斷層1條、43081巷曾揭露1個陷落柱，強行割矸距離為55 m。由此可見，為保證該工作面安全高效回采，須對其內(nèi)部地質(zhì)異常體發(fā)育情況進(jìn)行精細(xì)化探測與分析。

1.2 探測方案

無線電波透視技術(shù)原理：電磁波在地下巖層中傳播時，由于巖層電性不同，它們對電磁波能量吸收有一定差異，電阻率低的巖層具有較大的吸收作用。另外地質(zhì)異常體的界面會對電磁波產(chǎn)生折射、反射等作用，致使電磁波能量衰減和損耗。因此，如果在電磁波穿越煤層的途徑中，遇到與煤層電性不同的陷落柱、斷層等地質(zhì)異常體，電磁波能量就會被其吸收或完全屏蔽，信號顯著減弱，形成透視異常。通過對透視異常進(jìn)行分析，即可獲得地質(zhì)異常體發(fā)育特征[12]。

探測頻率：電磁波在煤層中的透射距離與其頻率有關(guān)，頻率高，透射距離小，頻率低，則透視距離大。YDT88無線電波透視儀內(nèi)設(shè)88 K、158 K、365 K、965 K這4種工作頻率，透距0～350 m。為了突出“透視異?！保紤]工作面規(guī)模和產(chǎn)狀，采用158 kHz 作為電磁波激勵頻率。

測點布置：如圖1所示，本次探測采用一發(fā)一收式的定點法。首先于43081巷布置發(fā)射天線，43082巷布置接收天線，由切眼向巷口方向依次發(fā)射和接收。通常發(fā)射測點間距為50 m，接收測點間距為10 m，為實現(xiàn)對地質(zhì)異常體的精細(xì)探測，本次設(shè)計發(fā)射測點間距為40 m，接收測點間距為5 m。單條順槽發(fā)射測點37個，各發(fā)射測點均對應(yīng)17個接收測點，單次發(fā)射接收合計獲取629個場強數(shù)據(jù)。43081巷完成發(fā)射工作后，調(diào)換發(fā)射天線和接收天線，在43082巷發(fā)射電磁波，43081巷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，兩順槽共獲取1 258個實測場強值。

圖1 4308工作面無線電波透視射線示意

干擾排除：電力干擾直接影響電磁波的傳播，進(jìn)而影響實測場強數(shù)據(jù)的真實性。因此，根據(jù)發(fā)射接收測點數(shù)量和順槽長度，結(jié)合以往施工經(jīng)驗，施工時需確保工作面周邊停電至少180 min。此外，施工選在掘進(jìn)配套設(shè)備全部退出而回采設(shè)備未安裝期間進(jìn)行，盡量減少鐵器對電磁波的干擾。

2 數(shù)據(jù)分析及驗證

2.1 數(shù)據(jù)分析

工作面場強吸收系數(shù)計算：層析成像技術(shù)是醫(yī)學(xué)CT的延伸，在無線電波透視數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用廣泛。它基于工作面不同介質(zhì)對電磁波的吸收差異，通過數(shù)學(xué)算法反演各介質(zhì)單元吸收系數(shù)，最終以圖像形式直觀展現(xiàn)各種地質(zhì)體的發(fā)育特征[13]。

根據(jù)電磁波理論，耗散介質(zhì)中的電磁波發(fā)射的場強H0與接收到的場強HP存在下述關(guān)系

(1)

式中，β—吸收系數(shù)；r—發(fā)射點與接收點之間的距離；f(θ)—方向性因子。β與介質(zhì)對電磁波的吸收能力有關(guān)。一般來說，β值越小，介質(zhì)對電磁波的吸收越弱；反之，β值越大，介質(zhì)對電磁波的吸收就越強。

由(1)式可得

(2)

式中，dr—發(fā)射點與接收點之間電磁波射線上的射線微元；Q—在接收點觀測到的電磁波場強變化值。對(2)式進(jìn)行離散化，得到第i個觀測點的線性方程

(3)

式中，βj—反映介質(zhì)中第j個網(wǎng)格的電磁波波場吸收系數(shù)；rij—與第i個觀測點對應(yīng)的第i條電磁波射線在第j個網(wǎng)格單元中的射線長度；Qi—第i個觀測點的觀測值。對于所有的發(fā)射點和接收點，可以得到一個線性方程組

RX=Q

(4)

式中，R—射線元組成的m×n維的大型稀疏矩陣；X=(β1，β2，…，βm)T，反映了介質(zhì)中電磁波波場吸收程度(吸收系數(shù))；Q=(q1，q2，…，qn)T，為接收點電磁波場強變化的觀測值；n—電磁波射線總數(shù)，m為網(wǎng)格單元總數(shù)。

求解大型稀疏矩陣的線性方程組(4)，即可獲得反映電磁波波場在介質(zhì)中的吸收程度圖像，進(jìn)而可以了解介質(zhì)的物理性質(zhì)。采用并行迭代的SIRT方法，即當(dāng)所有投影數(shù)據(jù)都計算分配完后，才對網(wǎng)格單元圖像函數(shù)進(jìn)行更新。這樣可以消除某些干擾因素，增強抗干擾性。其一般計算公式為

(5)

吸收系數(shù)CT成像：在獲取工作面各單元吸收系數(shù)值后，借助Surfer軟件插值功能實現(xiàn)工作面吸收系數(shù)CT成像。由圖2可知，4308工作面煤層完整區(qū)場強吸收系數(shù)為0.01～0.03，但同時存在4處高值異常，其吸收系數(shù)均大于0.03；初步分析認(rèn)為，自切眼向巷口方向150～200 m(YC1)、600～750 m(YC2)、950～1 050 m(YC3)及1 300～1 520 m(YC4)處存在地質(zhì)異常體。

圖2 4308工作面場強吸收系數(shù)CT圖

順槽實測場強曲線：YDT88無線電波透視儀在158 kHz頻率工作時，其初始場強為143.74 db，傳播過程中受煤層等地質(zhì)體吸收，正常區(qū)域?qū)崪y場強值在33～52 db之間。同時，與場強吸收系數(shù)CT圖中高值異常區(qū)大體相對應(yīng)位置同樣出現(xiàn)4處低值異常，如圖3所示，其場強值均低于30 db。其中YC1表現(xiàn)為43081巷5號發(fā)射點對應(yīng)的17個接受測點場強值整體較低，而周邊測點場強值均差異不大，近似連續(xù)變化。經(jīng)核實施工現(xiàn)場，該處存在一部未及時撤出的皮帶機頭及若干托輥，據(jù)此分析YC1為鐵器干擾引起的假異常，該處不存在地質(zhì)異常體；YC2和YC3場強值大部分低于13db，但YC2場強值整體較YC3更低，兩異常區(qū)內(nèi)多個接收測點出現(xiàn)零值，曲線形態(tài)亦呈陷落柱典型的“V”字形[14]，43081巷在該區(qū)域曾連續(xù)揭露2個陷落柱，由此推斷2處異常為陷落柱發(fā)育響應(yīng)所致，且YC2處陷落柱規(guī)模較YC3處陷落柱要大；YC4場強曲線整體呈階梯型鋸齒狀，為隱伏斷層響應(yīng)特點，結(jié)合43082巷實際揭露斷層特征分析，該異常為斷層發(fā)育區(qū)域，同時不排除異常區(qū)內(nèi)伴生次級斷層，斷層沿順槽方向影響范圍為1 300～1 520 m。

圖3 順槽實測場強曲線

2.2 驗證情況

4308工作面回采過程中在物探異常區(qū)內(nèi)實際揭露3個陷落柱和2條斷層，如圖4所示。陷落柱X1和X2沿工作面走向集中發(fā)育，位于距切眼610～740 m處，二者對應(yīng)YC2。X1平面近似圓形，直徑70 m。X1平面近似橢圓，軸向NNE，長軸180 m，短軸40 m；陷落柱X3平面呈不規(guī)則形狀，位于距切眼970～1 050 m處，對應(yīng)YC3；斷層F1、F2對應(yīng)YC4，其沿順槽方向影響范圍大致為1 320～1 500 m，其中斷層F1由43082巷掘進(jìn)揭露，斷距6 m，F(xiàn)2斷層為其伴生小型斷層，斷距2.3 m；在分析解釋的假異常YC1處煤層發(fā)育完整，未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常體。由此可見，實際揭露情況與數(shù)據(jù)分析解釋結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 4308工作面實際揭露地質(zhì)異常體示意

3 結(jié)論

(1)YDT88無線電波透視儀在158 kHz頻率下工作時透射距離大，性能穩(wěn)定，可通過加密收發(fā)測點的方式實現(xiàn)對300 m寬工作面內(nèi)部地質(zhì)異常體的有效探測。

(2)4308工作面煤層完整區(qū)場強吸收系數(shù)為0.01～0.03，實測場強值在33～52 db之間?？赏ㄟ^場強吸收系數(shù)CT圖和場強曲線對其內(nèi)部地質(zhì)異常體發(fā)育范圍及性質(zhì)做出定性判斷，有效指導(dǎo)礦井安全回采。

(3)通過加密收發(fā)測點增加數(shù)據(jù)采集密度，一定程度上可以提高無線電波透視法對地質(zhì)異常體的探測精度，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)異常體在工作面走向集中發(fā)育或傾向互為遮擋時，仍難以作出準(zhǔn)確分辨，需采取其他手段進(jìn)一步提高探測精度。