高旭東

(國能神東煤炭集團地測公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

保德煤礦81309工作面是三盤區(qū)深部區(qū)的綜采工作面，煤層底板標高低于奧灰水平均水位189～239 m，屬帶壓開采煤層，帶壓2 MPa左右。該工作面內(nèi)部斷層及陷落柱的賦存情況尚不明確，在工作面回采時若奧陶系含水層的水通過斷層等構造導入采掘工作面內(nèi)，將會引發(fā)透水事故造成設備損壞或人員傷害。保德煤礦嚴格按照《煤礦防治水規(guī)定》要求執(zhí)行“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的探測驗證制度，在81309工作面圈成后及時組織地測公司物探專業(yè)技術人員，使用無線電波透視技術對81309工作面進行探測，對所采集的數(shù)據(jù)資料及各個透視異常進行綜合分析判斷，再結合保德煤礦基本構造類型和已掌握的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料進行推斷后作出地質(zhì)解釋，最終提交81309工作面物探成果報告。本文通過在保德煤礦81309工作面進行無線電波透視探測工作，說明應用該物探技術探測回采工作面能夠為礦井地質(zhì)防治水工作與技術設計提供重要的參考依據(jù)。

1 無線電波透視技術及儀器概況

1.1 無線電波透視技術

無線電波透視技術是探測礦井回采工作面內(nèi)斷層、陷落柱、突水構造和裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)構造的一種物探技術方法，其無線波透視原理圖，如圖1所示。電磁波在煤巖層中傳播時，因為煤、巖的介電常數(shù)和電阻率各不相同，所以煤、巖對電磁波能量的吸收也不相同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，高阻巖層則反之，同時當傳播方向遇到構造界面時，電磁波將會在構造界面上產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，從而造成電磁波能量的損耗，使接收儀器接收不到或僅接收一部分電磁波透視信號，形成透視異常。再對透視異常進行分析、對比、反演成像處理后確定為透視異常區(qū)。使用該物探技術可以預測預報回采工作面內(nèi)部的斷層、陷落柱、突水構造和裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)構造，為工作面安全高效回采提供決策依據(jù)。

圖1 無線電波透視原理

井下無線電波透視時的傳播方向可分解為平行層理和垂直層理，電磁波在同一煤層的一定范圍內(nèi)傳播時，平行層理方向上可近似認為是均勻介質(zhì)，而在垂直層理方向是非均勻介質(zhì)。因此無線電波透視探測工作面時仍可應用均勻介質(zhì)中傳播的公式，若原點O為發(fā)射線圈軸中點，在同一工作面中，觀測點P到O點的距離為r，則P點的無線電波場強度Hr見式(1)

(1)

式中，Ho為發(fā)射線圈周圍煤巖層的初始場強；β為煤層對無線電波的吸收系數(shù)；r為P點到O點的直線距離，m；f(θ)為方向性因子；θ為偶極子軸與觀測點方向的夾角，(°)。

吸收系數(shù)β是影響場強幅值的主要參數(shù)，其值越大，場強變化就越大。在同一煤層中，設備的頻率越高煤層的吸收系數(shù)就越大，無線電波穿透煤層的距離就越近，因此探測大透視距離的工作面時，應選用較低工作頻率的設備；若為了提高分辨能力，則選用高頻率的設備更為適合。

1.2 儀器及其技術參數(shù)

無線電波透視儀在我國煤礦的應用和研制處于領先地位，本次使用的無線電波透視儀是YDT88型儀器，該儀器的組成部分如圖2所示。

圖2 YDT88無線電波透視儀

YDT88礦用無線電波透視儀可有效地解決目前傳統(tǒng)坑透儀器透視距離小、儀器攜帶不便及探測操作復雜等問題，具有超大透距、智能收發(fā)、一發(fā)雙收、輕便靈活、CT成像、本安防爆等特點。無線電波透視儀的主要技術指標如下。

1.2.1 發(fā)射部分

防爆型式：本質(zhì)安全型

發(fā)射頻率/MHz：88 kHz、158 kHz、365 kHz、965 kHz

頻率穩(wěn)定度：>5×10-6

發(fā)射功率：<6 W

1.2.2 接收部分

防爆型式：本質(zhì)安全型

工作頻率/MHz：88 kHz、158 kHz、365 kHz、965 kHz

接收靈敏度(信噪比3∶1)：<0.03 uV/m

顯示方式：數(shù)碼管數(shù)字顯示

顯示分辨率：0.1 dB

2 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 地質(zhì)概況

保德煤礦81309工作面長260 m，走向長2 600 m，工作面煤層為二疊紀煤層，煤層傾角為3°～7°，平均4°左右。煤層厚度表現(xiàn)為中間厚兩邊薄，巷道開口端煤層厚度為7.0 m，中部最厚為8.2 m，掘進巷道南部最薄為5.6 m，煤層結構較為復雜，有夾矸3～4層，單層夾矸最大厚度為0.6 m。掘進揭露資料顯示距開口1 333～2 813 m受古河流沖刷，該范圍內(nèi)可能存在斷裂構造或有同煤層走向一致的裂隙帶。

2.2 水文地質(zhì)概況

81309工作面煤層的主要充水水源為砂巖含水層裂隙水，一般表現(xiàn)為巷道頂板的淋滴水，若遇到裂隙帶發(fā)育或支護錨索鉆至砂巖含水層時，頂板的淋滴水就會增大。

工作面煤層底板標高600～650 m，總體趨勢由回順向膠運降低，最低點位于膠運靠近切眼處。奧灰水水頭標高839 m，資料顯示81309工作面8號煤層底板至奧灰?guī)r頂界面隔水層厚度為100～120 m，計算出的突水系數(shù)為0.028～0.033 MPa/m。按照理論沒有奧灰水突水威脅，如果遇到落差較大的斷層與陷落柱等大型導水構造時，奧陶系含水層的水將通過這些導水構造導入工作面內(nèi)。

3 探測工程量的質(zhì)量控制及資料解釋

3.1 測點布置

保德煤礦81309工作面無線電波透視探測在81309膠運、81309一號回風順槽中進行，采用定點法觀測，即定點發(fā)射，多點接收(發(fā)射機在一定的時間內(nèi)相對固定，接收機在一定的范圍內(nèi)逐點觀測其場強值)，如圖3所示。本次無線電波透視工作面探測發(fā)射點間距設為50 m、接收點間距設為10 m，在另一順槽的一定范圍內(nèi)進行扇形掃描接收。

3.2 質(zhì)量控制

因巷道中的人工導體、通電設備對電磁波的傳播有干擾作用，為了確保采集準確、可靠的數(shù)據(jù)，探測前采取了以下技術措施。

拆撤：探測前建議礦方將巷道內(nèi)皮帶架全部拆撤后方可組織探測工作，減少皮帶支架對電磁波的屏蔽吸收。

停電：因工業(yè)電的干擾，在探測時要求礦內(nèi)將工作面區(qū)的動力電處于停電狀態(tài)，確保探測采集的數(shù)據(jù)不受干擾，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠、準確。

3.3 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量評述

探測過程中嚴格按照《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T 898—2000)進行，確保原始數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量。本次物探工程布置550個測點，其中檢查點為30個，均符合規(guī)范中檢查點不小于5%的要求。

原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量以檢查點相對均方誤差值來衡量。見式(2)

(2)

式中，n為檢測點個數(shù)；ρi為第i個點的原測值；ρi′為第i個點的檢測值。

按此公式計算得到平均均方差±4.2%，符合規(guī)范要求不超過±5%的標準。

3.4 資料處理及解釋

3.4.1 資料整理

首先將探測時記錄的實測場強值Hr，運用電磁場強公式進行運算后得出初始場強Ho，再繪制實測場強曲線圖、射線分布圖、異常交會圖、反演結果圖等圖件，為解釋資料提供依據(jù)。

3.4.2 資料解釋

根據(jù)衰減系數(shù)可將無線電波透視的層析成像分為絕對衰減層析成像圖和相對衰減層析成像圖。

絕對衰減層析成像圖：通過實測場強值計算出所探測工作面的衰減系數(shù)得到的二維成像圖。

相對衰減層析成像圖：設正常區(qū)段的衰減系數(shù)為某一常數(shù)，則用這個常數(shù)與所探測工作面的衰減系數(shù)相減得到的二維成像圖。

采用相對衰減層析成像技術對本次探測原始資料數(shù)據(jù)進行處理，該技術是用相對衰減算法進行層析處理，以工作面中電磁波場強衰減系數(shù)的相對分布情況進行異常圖像的重建。

最終的異常性質(zhì)可根據(jù)異常形態(tài)結合保德煤礦基本構造類型和已掌握的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料、構造發(fā)育規(guī)律進行綜合分析推斷。

4 81309工作面無線電波透視成果

4.1 無線電波透視成果圖

本次探測設計合理，原始數(shù)據(jù)、資料采集流程符合《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T 898—2000)要求，資料處理解釋方法正確，推斷結論合理，達到了預期探查目的。801309工作面無線電波透視探測發(fā)現(xiàn)的4處相對衰減較強異常區(qū)，如圖4所示，分別編號為①、②、③、④號異常。

圖4 保德煤礦81309工作面無線電波透視探測成果

①號異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向1 100～1 280 m附近，在81309工作面膠運和81309一回之間呈圓形分布。

②號異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向1 520～1 590 m附近，在81309工作面膠運和81309一回之間呈條帶狀分布。

③號異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向1 620～1 690 m附近，在81309工作面膠運和81309一回之間呈條帶狀分布。

④號異常區(qū)：分布在81309工作面主回撤通道向切眼方向2 050～2 100 m附近，在81309工作面膠運和81309一回之間呈條帶狀分布。

4.2 無線電波透視異常區(qū)性質(zhì)分析與推斷

根據(jù)上述保德煤礦81309工作面透視成果并結合采掘工程平面圖及已知地質(zhì)資料對4處異常區(qū)進行綜合推斷如下。

①號異常區(qū)：其異常區(qū)范圍較大，幅值相對較高，可能是由于煤層變薄、夾矸變厚所引起的異常；也可能是斷層等構造引起的構造發(fā)育區(qū)導致的異常。

②、③號異常區(qū)：2個異常區(qū)的范圍較大，幅值也相對較高，可能是由于煤層變薄、夾矸變厚所引起的異常；也可能是斷層等構造引起的構造發(fā)育區(qū)導致的異常。

④號異常區(qū)：其范圍較小，幅值也相對較小，推測異常區(qū)為斷層等構造引起的構造發(fā)育區(qū)，也可能是煤層變薄，夾矸變厚所引起的異常。

5 結論

通過在保德煤礦81309工作面開展無線電波透視法物探技術的應用，得出以下結論。

(1)無線電波透視技術是探測工作面內(nèi)部、斷層、陷落柱、突水構造和裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)構造行之有效的物探技術，探測施工工藝較其他物探方法簡便，應用范圍廣、工作效率高、探測效果好，可以為礦井地質(zhì)防治水工作與技術設計提供重要的參考依據(jù)。

(2)因物探具有相對性、多解性，上述無線電波透視探測成果是在工作面回采前相對靜態(tài)、均衡的前提下獲得的，而在工作面回采過程中由于地應力失去平衡后，原來不導水的裂縫也會變成導水裂縫。但是低阻異常區(qū)是客觀存在的，能否通過構造、裂縫導水、突水受各種因素的影響和控制。

(3)應用無線電波透視技術探測回采工作面只能探查工作面內(nèi)部的地質(zhì)構造發(fā)育及煤層結構厚度變化，不能探查回采工作面頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)的巖層賦水性，建議在同一回采工作面應用綜合物探技術探測，覆蓋工作面內(nèi)部及頂?shù)装逡欢ǚ秶?，更能精確的定位、推斷、解釋各種異常體，為井下鉆探施工提供靶點，提前預防礦井水害的發(fā)生，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

(4)81309工作面的4處無線電波透視異常區(qū)局部存在一定的連通趨勢，建議礦方作為重點防治水區(qū)域，在工作面回采前組織探放水隊進行打鉆補勘，進一步查明、驗證異常區(qū)的性質(zhì)，及時采取有效措施。81309工作面探測成果可作為工作面回采前防治水工作設計和實施的參考依據(jù)。同時建議礦方在回采前還應考慮到頂、底板涌水情況，根據(jù)本工作面防排水系統(tǒng)特征、條件等情況，準備充足的防排水設施。在回采過程中注意監(jiān)測工作面水情、觀測水文孔的水位變化，并及時進行分析，制定、采取專項措施，確保礦井生產(chǎn)安全。