姜鴻,李隴鋒,劉俊先

(1.西安星火地探遙感科技有限公司,西安 710016;2.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,蘭州 730020;3.陜西地礦漢中地質(zhì)大隊有限公司,陜西漢中 723000)

0 引言

電磁波技術(shù)在煤礦井下探測異常體的應(yīng)用中主要為無線電波坑道透視法,簡稱“坑透法”。該技術(shù)主要應(yīng)用于煤礦采礦工作面隱伏地質(zhì)構(gòu)造(包括斷層、陷落柱、巖漿巖侵入體)和煤層厚度變化等地質(zhì)異常體的探測[1],當無線電波穿過此類地質(zhì)體時接收到的信號會明顯減弱,形成所謂的透視“陰影區(qū)”。

山西興縣關(guān)家崖煤礦8105工作面位于8#煤二采區(qū),所開采的8#煤層平均厚度約3.0 m,煤層厚度變化不大,結(jié)構(gòu)簡單,含一層夾矸為泥巖,厚度0.2 m,煤層傾角6°～12°。在軌道順槽掘進期間揭露有斷層,隨著工作面回采擾動的加劇,存在導(dǎo)通上部砂巖裂隙水的可能。為進一步查明該工作面揭露斷層及其他隱伏地質(zhì)構(gòu)造及其導(dǎo)、含水性情況,關(guān)家崖煤礦委托陜西地礦大地探測能源科技有限公司開展工作面內(nèi)無線電波透視工作。

本文參考激電法中異常圈定的概念和方法,在礦井無線電波透視法中引入了“異常下限”的概念。具體方法是在衰減系數(shù)的成圖過程中,利用計算所得的異常下限值進行界定,從而可以較準確地圈定出異常邊界及形態(tài),避免了異常圈定和顯示隨意性的不足。通過幾個煤礦工作面實測數(shù)據(jù)的驗證表明,采用這種方法圈定的異常形態(tài)和邊界與驗證結(jié)果比較符合,具有一定的普適性。

1 無線電波透視法原理

電磁波在地下巖層中傳播時,由于各種巖礦石電性的不同,對電磁波能量的吸收不同,低阻介質(zhì)對電磁波具有較強的吸收作用,當波前進方向遇到異常構(gòu)造時,會在異常構(gòu)造界面上產(chǎn)生反射和折射作用,從而造成能量的損耗[2-4]。如果發(fā)射機所發(fā)射的電磁波能量被吸收,同時接收到的信號顯著減弱或完全消失,從而形成接收信號的“陰影區(qū)”,則表明電磁波在穿過煤層介質(zhì)時遇到異常體,從而形成透視異常區(qū)。

電磁波傳播滿足麥克斯韋方程組,三維空間電磁波傳播規(guī)律比較復(fù)雜,為了研究方便,一般利用均勻全空間解析進行規(guī)律性研究。全空間中,磁偶極子磁場表達式為[5-7]:

(1)

無線電波透視采用工作頻率一般在100 kHz以上,此時滿足遠場區(qū)條件,即kR≥1,則上式可以簡化為[8]:

(2)

(3)

由上式可知,在頻率一定時,介質(zhì)吸收系數(shù)是介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ的函數(shù)。一般來說煤巖地層磁導(dǎo)率變化很小,主要反映在介電常數(shù)的變化,故而導(dǎo)致在電磁波傳播路徑上出現(xiàn)煤、巖的一些變化,即可體現(xiàn)在β的變化,同時也引起實測場強值的變化。

2 井下數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作采用YDT88礦用無線電波透視儀器進行。該儀器采用框型發(fā)射天線,環(huán)形接收天線,采用定點法進行觀測,每次發(fā)射在對巷進行11個點的觀測,發(fā)射點距為50 m,接收點距為10 m,工作頻率有88 kHz、158 kHz、365 kHz和965 kHz四種可選,一般工作面最大可探測寬度為300 m。每個工作面根據(jù)傾向長度等條件不同,選擇不同的工作頻率進行,工作頻率低具有衰減速度慢、趨膚效應(yīng)小、傳播距離遠的特點。當工作面傾向長、電阻率低時,應(yīng)采用較低頻率,反之,則應(yīng)采用較高頻率。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用儀器配套的專業(yè)處理軟件進行解析,利用Surfer軟件重新進行網(wǎng)格化,經(jīng)過必要的濾波處理后成圖。本文參考激電法中異常的識別方法,引入“異常下限”的概念,旨在對實測場強進行量化評價。考慮到坑透法中實測場強異常為相對低值,則在激電法異常下限公式基礎(chǔ)之上進行修正,給出公式(4)和(5)兩種計算方法:

H1=Hb×(1-3M)

(4)

H2=Hb-aN

(5)

式中:Hb為實測背景場值,一般用場值平均值表示;M為實測均方相對誤差;N取決于背景值的穩(wěn)定性及觀測精度,a∈(1.5～2.5)。

若背景值穩(wěn)定,則觀測精度是影響異常下限的主要因素,N取觀測值的均方誤差值;若背景值不穩(wěn)定,則背景值大小是影響異常下限的主要因素,N則取背景值的標準離差。公式(5)中系數(shù)a的選擇取決于異常的可信度,當反映異常點數(shù)較多時,取較小值;若只有個別點出現(xiàn)異常,則取較大值。

兩種算法在計算異常時,第一種算法在高背景時易丟掉相對低緩異常,第二種算法在比較雜亂的背景場中,通過背景值的標準離差計算,求得的異常下限會更合理。

由于無線電波透視法實測參數(shù)是場強值,在利用解析軟件進行解析計算后所得到的值已被再次計算,故上述公式中的各參數(shù)均以軟件解析后值的大小進行統(tǒng)計計算。

4 實例分析

山西興縣關(guān)家崖礦8105工作面位于8#煤層,所開采煤層平均厚度為3.0 m,探測工作面走向長度為500 m,工作面寬為178 m。根據(jù)工作面順層揭露情況,煤層厚度變化不大,結(jié)構(gòu)簡單,含一層夾矸。軌道順槽揭露小斷層,工作面煤層賦存較穩(wěn)定,煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖,厚度約為2.0～3.0 m,其上老頂為砂巖,煤層底板主要以炭質(zhì)泥巖為主。

通過儀器配套專用解析軟件處理后可進行反演成像,其反演圖像分辨率較低,利用Surfer軟件進行網(wǎng)格插值。根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,8106工作面實測場強值最小值為26.2 dB,最大值為79.6 dB,Hb為52.42 dB,均方相對誤差為3.47%,均方誤差為0.12,則計算H1=50.60 dB,H2=52.18 dB。分別以H1和H2兩個值為異常下限進行異常圈定。實測場強等值線平面圖如圖1和圖2所示。

圖1 H1圈定實測場強等值線平面圖Fig.1 The measured field strength contour plan delineated by H1

圖2 H2圈定實測場強等值線平面圖Fig.2 The measured field strength contour plan delineated by H2

結(jié)果表明在工作面內(nèi)存在3處范圍較大的異常區(qū),異常均為低背景相對低值異常區(qū),分別編號為Y1、Y2和Y3,對比上述兩圖可以看出,異常分布區(qū)域大致相同,但相同和范圍相差較大,異常特征仍有較大的差異,以H1為異常下限所圈定異常范圍相對較小,呈帶狀分布于兩順槽邊部,向工作面內(nèi)有一點的延伸,延伸范圍一般小于50 m,表現(xiàn)為低場強背景中局部低值異常區(qū);H2為異常下限所圈定異常范圍相對較大,也呈帶狀分布于兩順及工作面內(nèi)部,向工作面內(nèi)延伸范圍較大,表現(xiàn)為低場強背景中低值異常區(qū)。結(jié)合順槽揭露及已有地質(zhì)資料推測該三處異?？赡転閿鄬蛹懊簬r層局部裂隙發(fā)育、煤層破碎或松軟的綜合反映。

據(jù)工作面回采反饋資料顯示,見圖3,本次工作面軌道順槽附近揭露斷層F1和F2,均為正斷層,向工作面內(nèi)有延伸長度約為40 m和24 m,此外在Y1和Y2異常區(qū)有裂隙群(組)發(fā)育,煤質(zhì)較軟,局部裂隙水較為發(fā)育;在Y1異常處未揭露斷層構(gòu)造,僅有裂隙群(組)發(fā)育,煤質(zhì)較軟,局部裂隙水較為發(fā)育。

圖3 8105工作面回采地質(zhì)平面圖Fig.3 Mining geological plan at 8105 working face

上述特征是由于無線電波透視在該類區(qū)域具有一定的吸收衰減特征,該驗證結(jié)論與前述無線電波透視成果基本上吻合。通過與回采資料對比分析可以看出利用實測場強異常下限選取的做法所圈定的異常特征比較符合實際,此外也可以看出在本例中利用H1計算方法所圈定的異常較H2計算方法圈定的異常更為接近實際,但并非在所有煤礦工作面中均適用,應(yīng)在不同的礦區(qū)進行歸納總結(jié)。

5 結(jié)語

無線電波透視法在工作面內(nèi)部斷層構(gòu)造、煤層變薄以及煤巖體破碎等方面具有較好的探測效果,通過本文案例證明了無線電波透視方法對于煤層裂隙發(fā)育、煤質(zhì)變軟等地質(zhì)異常具有較好的識別能力。作者通過引入“異常下限”概念可以有效地選取異常圈定的下限值,據(jù)此可較準確地識別出異常并圈定異常的范圍,從而可有效避免因異常下限選取偏差而導(dǎo)致的異常過少或過多的圈定,具有一定的實踐意義。