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中国矿井物探网 - 矿井地质 - 龙泉矿4201工作面无线电波透视法技术应用报告
 
 
龙泉矿4201工作面无线电波透视法技术应用报告
信息来源:网站编辑部   添加日期:2014-4-1   浏览次数:2795
技术支持中心 李松
1 地质概况
  龙泉矿4201工作面北侧为4202工作面,三条顺槽正在施工;西侧为二采区四条大巷;东侧为铁路、村庄保护煤柱;南侧为一采区,现在未开采。4201工作面采4#煤层,走向长2377m左右,倾斜长251m左右,煤层厚度5.8~7.28m,平均厚度6.47m左右,煤层倾角6°~15°,平均10.5°,直接顶为砂质泥岩,老顶为粉砂岩,老底为粉砂岩。
  目前4201工作面顺槽巷道及切眼已揭露地质构造情况和地面三维地震勘探报告分析构造情况如下:①切眼与尾巷之间揭露一正断层F7, 50o∠60o,h=3.0m;②辅运顺槽与尾巷交岔口揭露一正断层F6,45o∠75o,h=2.5m;③4201胶带顺槽开口1154.2m揭露一正断层F2,60o∠80o,h=1.8m;④4201辅运顺槽开口1057.5m揭露一正断层F3,50o∠60o,h=4m;⑤4201胶带顺槽开口1273.4m揭露断层F4,50o∠80o,h=1.8m;⑥4201胶带顺槽开口1434.9m揭露一正断层F5,55o∠80o,h=2.5m;⑦4201胶带顺槽开口146.3m揭露一正断层F1,45o∠70o,h=8m;⑧4201辅运顺槽开口316.5m(330m横穿)揭露一逆断层JF9,50o∠57o,h=3m;⑨4201辅运顺槽开口1341.8m揭露一正断层JF14,60o∠65o,h=7m;⑩4201胶带顺开口1689.6m槽揭露一正断层JF16,60o∠65o,h=4m;
  本次现场工作于2013年8月26日进行井下标点工作,8月27日完成坑透数据采集工作,主要完成的探测任务有:
    (1)探查回采工作面内部的煤层赋存情况,追踪工作面胶带顺槽、辅运顺槽及切眼已揭露断层、薄煤带,预测其在采面内的影响范围。
    (2)对采面进行普查,圈定采面内隐伏断裂构造、夹矸及薄煤带分布范围,为工作面顺利回采提供依据。
2 无线电波透视法原理及方法
2.1 无线电波透视法基本原理

    电磁波在地下岩层中传播时,由于各种岩、矿石电性的不同,它们对电磁波能量吸收不同,低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用,当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时,电磁波将在界面上产生反射和折射作用,也造成能量的损耗。因此,在矿井下,电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时,波能量被吸收或完全被屏蔽,则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号,形成所谓的透视异常。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常,从而进行地质推断和解释。
2.2 透视工作方法
    井下坑透法一般在两巷道间进行,如在回风巷布置发射点,向煤层中发射某一频率的电磁波,在运输巷安置接收机观测电磁场场强H信号,电磁波在煤层传播中遇到介质电性变化时,电磁波被吸收或屏蔽,接收信号显著减弱或收不到有效信号,如沿巷道多点观测,则形成所谓的透视异常。发射点和接收点可布置在回风巷、进风巷等易于通行和干扰小的地段。
    井下观测方法有同步法和定点法两种方式。同步法是发射天线和接收天线分别位于不同巷道中,同时等距离移动,逐点发射和接收,如图2-1所示,该方法施工时在井下发射接收同步较困难,因此较少采用。
 

图2-1 无线电波坑透同步法示意图

  定点法是发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上,接收机在相邻巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值,又称定点交会法。一般发射点距50m,接收点距10m。每一发射点,接收机可相应观测11~21个点,如图2-2所示。

图2-2 无线电波坑透定点法示意图
观测基本步骤:
    (1)在观测前,预先安排好观测约定时间顺序,列出时间表格,发射和接收各持一份;
    (2)观测时,严格按时间表执行,发射机天线应平行巷道,悬持成多边形,应保持发射信号稳定;
    (3)接收天线环面对准发射机的方向,即观测最大值方向。
2.3 仪器设备及工作频率
    地下电磁波衰减的透射异常区(“阴影”区)并非单由一次场的吸收所形成的,而且还受很多其它因素的影响。如感应二次场引起的干涉、煤层(或岩层)的不均匀性和各向异性、直达波、巷道的反射及漫反射波,以及煤层顶底板的围岩波等,所以观测场强值可能是几种波的综合值。结果使“阴影”变得模糊,以至于不能准确判定异常体位置,因此,选择最佳工作频率是很关键的。频率过高,即使是高阻的岩石也会产生明显的吸收作用,结果很可能不能突出要寻找的地质异常体的“阴影”区,而地质异常体的围岩却形成了“阴影”区;如果频率过低,则由于一次绕射作用,使得要寻找的地质异常体可能被掩盖。因此,为了得到明显的“阴影”区,必须选择最佳的工作频率。
    本次无线电波透视工作采用YDT88型矿用无线电波透视仪,YDT88矿用无线电波透视仪是由福州华虹智能科技股份有限公司联合相关高校院所,引进先进的数字通信调制、高速采集、嵌入式系统等技术开发完成的新一代无线电波透视仪。该仪器具有轻便灵活、智能高效、透视距大、抗干扰能力强、续航时间长等特点。同时基于仪器所形成的“一发双收”和“一发一收”等现场工作方法,极大提高现场施工效率和探查精度。
    本次4201工作面坑透探测范围走向长2200m,倾向长250m。根据其工作量大、要求穿透距离大的特点,4201工作面探测时,YDT88型矿用无线电波透视仪发射机采用158Khz的频率,现场施工时采用”一发双收”的工作方法,见图2-3 YDT88矿用无线电波透视仪“一发双收”系统组成图。

图2-3 YDT88矿用无线电波透视仪“一发双收”系统组成图
2.4 “一发双收”工作方法简介
    “一发双收”是在传统定点法“一发一收”工作方法基础上创新出的一种新的工作方法,该方法具有工作效率高、可降低工作强度的特点,在一个工作日内可轻松完成1500~2500m走向长工作面的探测。
    “一发双收”数据采集时,一台发射机发射,两台接收机接收数据,每台接收机只采集一半数据,接收机操作员可以不用往回走或者往回走的距离短,这样可以大大缩短探测时间、减轻操作员的劳动强度,增加透视的数据量、保证数据质量和仪器正常工作。
2.5 井下干扰及其排除措施
    巷道中的人工导体,对电磁波的传播起干扰作用,不同的导体对电磁波传播的影响不同。
    (1)金属支架,对电磁波有少量的屏蔽吸收作用。
    (2)接地的铁轨、电溜子,对电磁波有一定的导引作用。存在二次场,实际观测中发现在铁轨附近,场的梯度较大,二次场的影响范围在0.8m以下,故接收天线环距铁轨、电溜子高于1m,二次场的影响就可忽略不计。
    (3)悬挂在巷道壁上铁管的二次场的强弱,与距发射点的远近有关,在铁轨不连通的情况下,二次场很弱,接收天线环离开1m,影响可忽略不计,同巷发射接收,二次场的干扰,仅次于电缆干扰强度。
    (4)电缆、金属锚网及其它导体,对电磁波有很好的导引作用,天线辐射的电磁波感应到导线上沿着导线传播,成为电磁波的二次辐射源。接收巷道有导线时,天线接收的场,有从煤层来的直达波和导线上的二次辐射场,当二次辐射场大于直达波时,它就掩盖了直达波,使透视工作无法进行。

图2-4 “一发双收”工作方法示意图
  
 2.6 资料处理与解释
 2.6.1 场强对比法

    通常用图示方法来描述沿观测巷道或在透射范围内场强的变化规律。
综合曲线图:将同一发射点对应接收点的实测场强H值、理论场值H0值和衰减系数η值按给定比例尺绘制成剖面图,该方法以接收点点位为横坐标。
    交会平面图:在采区平面工程图上,标定各发射点和对应的接收点。根据综合曲线确定边界点,将该点与对应的发射点连线,于是由不同发射点所对应的接收点绘出相应的边界射线,各射线所围定的范围便为异常体的平面位置,如图2-5所示。
2.6.2 CT成像法
    工作面无线电波透视法采用偶极子天线发射,在介质中任意点的场强表达式可表示为:
 

  式中:
    Ho—决定于发射功率和天线周围介质的初始场强;
    β—介质对电磁波能量的吸收系数;
    r—观测点到辐射源的直线距离;
    sinθ——方向性因子,一般可认为等于1。
    如图2-5 所示,把坑透工作面划分成有不同吸收系数的若干小单元(像元),每一小单元内可视为介质均匀的。假设电磁波的第i个传播路径为ri,则它可以表示为若干小单元的距离之和: ,对没有射线穿过的小单元,可视dij=0,于是公式变成
两端取对数有:
    若在多个发射点上对场强分别进行多重观测,便可形成矩阵方程:
  [X][D]= [Y]
    式中:[X]—— βi未知数矩阵;[D]—— 系数矩阵;[Y]——已知数矩阵,即实测值。
利用SIRT 算法(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques,同时迭代重构技术),计算矩阵方程可以反演各像元吸收系数值,从而实现工作面成像区内吸收系统反演成像。利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。

图2-6 坑透CT成像单元离散示意图
  
3 施工布置与数据采集
3.1 现场数据采集
  现场数据采集于2013年8月27日至完成。根据探测目的和现场实际情况,本次探测工作主要在4201工作面走向长度2200m,倾向长度平均约250m左右区域进行,4201工作面辅运顺槽共布置43个发射点,对每个发射点在胶带顺槽接收12个实测场强值,1#接收机接收1~6,2号接收机接收6~11;在胶带顺槽布置43个发射点,对每个发射点在辅运顺槽接收12个实测场强值,1号机接收1~6,2号机接收6~12。其中发射点间距为50m,接收点间距10m。
3.2 数据质量评述
    为了采集到高质量的第一手资料,现场采取如下技术措施:
    ①本次坑透工作在采面内采用对发对收,每10m一个接收点,即一个物理测点,每50m布设一个发射点。
    ②对应每个发射点,在另一巷的扇形对称区间接收11~16个点,以确保面内各物理测点有两次以上的覆盖。
    ③天线离开电缆0.5m以上。
    ④严格按照计划表施工,作好记录并标注出实际发射时间和实际接收时间。为确保原始资料质量,施工严格按照“煤田电法勘探标准”进行,现场检查点不少于5%,使原始数据资料准确可靠。
    YDT88坑透仪采集数据评价:本次探测总体上该煤层实测场强值在45~50db,最小值仅38db左右,最大60db左右。从实测数值来看,背景测试值不高,在20db左右,与最高场强值相比,有很大的变化范围,说明本次采集数据信噪比高,采集数据相对可靠。
4 资料解释
采集数据采用无线电波透视CT软件系统进行反演,反演结果以实测场强曲线图、实测场强交会成像图和SIRT法叠代CT成像图表示。CT成像图为煤岩层电磁波吸收系数值图,数据值大小用不同色标值表示,其中暖(红)色调为低电磁波吸收系数值,冷(蓝)色调为高电磁波吸收系数值。YDT88坑透仪探测结果如图1~图3所示。
4.1 实测场强值曲线图
    YDT88坑透仪探测实测场强曲线图见图4-1和图4-2,由此可见:
    (1)辅运顺槽0~22#点区段为明显场强低值区段,其场强值多小于40db,穿透性差,该段煤岩层对无线电波的吸收性强;
    (2)辅运顺槽70~24#点、胶带顺槽70~108点区段为相对低场强区段,其场强值多为45db左右,穿透性相对较差,该段煤岩层对无线电波的吸收性较强;
    (3)辅运顺槽198~220#点、胶带顺槽198~220#点区段相对低值场强区段,在45db之下,该段煤层无线电波透视能力弱。
4.2 无线电波透视实测场强分布图
    YDT88坑透仪探测无线电波实测场强分布图见图4-3,其中绿(浅绿)色调区越深表明其场强值越低,即该段煤层无线电波穿透能力低,为潜在的构造异常区。图中各段情况反映结果与实测场强曲线结果基本一致,在此不再赘述。
4.3 无线电波透视SIRT反演吸收系数(CT成像)图
    附图3为YDT88坑透仪探测SIRT反演吸收系数(CT成像)图。该图中吸收系数的强弱表明煤层介质的差异,图中红色色标表示强吸收系数值,其红色越深表示存在异常的可能性越大,因此可以对内部构造及其特征进行判定。
5 结论及建议
5.1 结论

    根据YDT88坑透仪探测实测场强曲线值变化特征和岩石吸收系数CT成像图综合分析,得出探测区地质解释如附图所示,有5个透视异常区(图中圈定范围),分别命名为K1、K2、K3、K4、K5异常区。异常区的位置及解释说明详细如下:
    (1)K1异常区:位于胶带顺槽坑透测线0~220m左右,辅运顺槽测线0~220m左右(异常区形态详细见成果图);推断其为受联巷揭露的JF9断层及胶带顺槽揭露的F1断层的影响,影响程度大于1/2煤厚,且推断异常区受JF9断层的影响较大;对工作面回采有影响。
    (2)K2异常区:位于胶带顺槽坑透测线1040~1120m左右,辅运顺槽900~980m左右(异常区形态详细见成果图);推断其为受辅运顺槽揭露的F3断层和胶带顺槽揭露的F4断层的影响,根据胶带、辅运两顺槽实际揭露情况推断F3和F4断层为同一断层,且推测断层由辅运顺槽向胶带顺槽延伸过程中落差逐渐减小;对工作面回采有影响。
    (3)K3异常区:位于胶带顺槽坑透测线1140~1320m左右,辅运顺槽测线1080~1320m左右(异常区形态详细见成果图);推断其为受辅运顺槽揭露的JF14断层和胶带顺槽揭露的F5断层的影响,根据胶带、辅运两顺槽实际揭露情况推断JF14断层和F5断层为同一断层,推测落差由辅运顺槽向胶带顺槽延伸过程中落差逐渐减小;对工作面回采有影响。
    (4)K4异常区:位于胶带顺槽坑透测线1380~1500m左右,辅运巷1420~1580m左右(异常区形态详细见成果图);推断其为受胶带顺槽揭露的F16断层的影响,异常区影响程度大于1/2煤厚;对工作面回采有影响。
    (5)K5异常区:位于胶带顺槽坑透测线2040~2120m,辅运顺槽测线1980~2140m左右,推断其为受辅运巷揭露的JF22断层的影响,异常区的影响程度大于1/2煤厚;对工作面回采有影响。
    以上K1~K5异常区为本次坑透工作圈定的主要异常区,由于无线电波透视法对小于1/2煤层厚度的断裂构造及薄煤区域探查效果较差,因此本次坑透工作对巷道已经揭露的F2、F7断层位置反应较小,推测其对工作面的回采影响相对较小。此外在胶带顺槽切眼向外200m左右范围内存在大型机械设备,对无线电波信号的发射和接收影响很大,数据质量差,因此K5异常区的范围及形态可能存在一些偏差。
5 建议
    (1)建议生产单位对透视地质异常区,应加强工作面地质调查及地质预报工作,并对透视异常区进行钻探验证。
    (2)建议生产单位在回采过程中对出现的地质异常及时记录,并及时反馈给我们,以便进行动态解释,更好的为工作面的回采工作提供相关依据。
    (3)本报告未尽事宜,请参照《煤矿安全生产规程》等相关制度确保矿方安全生产。

图4-1 胶带顺槽接收实测场强曲线图

图4-2 辅运顺槽接收实测场强曲线图

图4-3 4201工作面无线电波透视法探测实测场强分布图

图4-4 4201工作面无线电波透视法探测SIRT反演吸收系数图

图4-5 4201工作面无线电波透视法探测SIRT反演吸收系数与结果解释图

图4-6 4201工作面无线电波透视法探测资料解释成果图
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