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中国矿井物探网 - 矿井地质 - 无线电波透视技术在煤矿安全生产中的应用
 
 
无线电波透视技术在煤矿安全生产中的应用
信息来源:网站编辑部   添加日期:2016-4-13   浏览次数:3309
张家贵1,王国飞1,魏著霖2
(1.山西汾西矿业集团双柳煤矿,山西吕梁033000;
2.福州华虹智能科技股份有限公司,福州350000)
摘 要:为查明双柳煤矿308工作面内构造发育,以及底板含水层富水性,在局部应用无线电波透视的矿井物探技术,对矿井的构造以及水文地质变化进行探测。在已知地质条件的基础上,对比分析物探结果,圈定异常,为煤矿的安全生产提供相应的指导。
关键词:无线电波坑透;数据采集;矿井构造;水文地质
前言
    在最近完成的《中国可持续能源发展战略》研究报告中,20多位中国科学院和工程院院士一致认为,在未来几十年内,煤炭仍将是我国的主要能源和重要的战略物资。专家认为到2010年,煤炭在我国一次性能源生产和消费中将占60%左右;到2050年,煤炭所占比例不会低于50%。2006年,我国原煤产量高达23.25亿吨,2007年高达26亿吨,煤矿能否安全生产直接影响到我国国民经济的发展[1]。而水、顶板、瓦斯等地质灾害是影响煤矿安全生产的隐患,从地质灾害上都可以把它们与地质构造联系在一起,地质构造控制安全生产,因此在地下工程中引进更多的科技日趋迫切。矿井物探技术作为井下勘探的一种补充手段,能有效地补充矿井地质勘探手段的不足。
    汾西矿业集团公司双柳煤矿前身为柳林县吉家塔乡自家焉煤矿,位于三交三号井田南部。井田面积29.6073k㎡,批准开采4、5号煤层。随着国家对煤矿安全的重视,2011年,针对双柳煤矿的水文及地质问题,以33408T作面局部区域为研究对象,运用无线电波坑透技术,采集选定区域的数据,并对结果进行分析,为工作面的开采提供了一定的地质指导。

图1 33408工作面无线电波坑透探测范围示意图
1 无线电波坑透法工作原理
    无线电波透视方法(也叫坑透法)最初是由苏联学者A.D彼德洛夫斯基于1929年提出的,他称之为无线电波阴影法[2]
    无线电波透视技术是基于岩石的介电常数的差异为基础的。交替成层的含煤地层是非均匀介质,电磁波在含煤地层中传播可分解为垂直层理和平行层理方向,在垂直层理方向是非均匀介质,在同一煤层一定范围内平行层理方向上可近似认为是均匀的。采面巷道通常都是布置在同一煤层中,电磁波透视是在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行,因此透视时的电磁波传播仍可利用均匀介质中的传播公式,假设辐射源(天线轴)中点0为原点,在近似均匀、各项同性煤层中,观测点P到0点的距离为r,P点的电磁波场强度Hp由下式表示:

    式中:H0-决定于发射功率和天线周围煤层的初始场强;β-煤层对电磁波的吸收系数;r-P点到0点的直线距离(m);f(θ)-方向性因子,θ是偶极子轴与观测点方向的夹角。
    在辐射条件不随时问变化时,H0是一常数,吸收系数β是影响场强幅值的主要参数,它的值越大,场强变化就越大。吸收系数与电磁波频率和煤层的电阻率等电性参数有直接关系:在同一均匀煤层中,频率越高吸收系数就越大,电磁波穿透煤层距离就近;煤层电阻率越低,吸收系数也越大[3-7]
    煤层中断裂构造的界面,构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收,造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波穿越煤层途径中,存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时,接收到的电磁波能量就会明显减弱,这就会形成透视阴影(异常区)。矿井电磁波透视技术,就是根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统。可见,矿井电磁波透视技术在探测矿井采面和顺煤层两钻孔之间、两石门之间内的地质异常体及瓦斯灾害区是有理论依据的,是完全可行的[8]
2 33408工作面探测成果
2.1 数据的采集
    无线电波透视观测一般在两巷道问进行,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、运输巷等易于通行和干扰小的地段。观测方法分为同步法和定点法。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。同步法发射点移动频繁,不易做到发射机和接收机同步工作效率低,除研究一些特殊问题外,较少采用。而定点法是发射饥在一定的时间内相对同定位置,接收机在一定范围内逐点观测其场强值,即定点发射多点(扇形)接收。这种方法速度快、效率高,易于协调工作,是无线电波透视的主要观测方法。

图2 定点法“一发一收”方式示意图
    目前无线电波透视经典参数设置即一台发射机住巷道一个点固定发射时,接收机在对另一个巷道的相应点接收,这样的收发式,可以称为“一发一收”(如图2)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10~12个点,接收仪器操作员一个发射点接收场强值需要行走100m,然后再退后50m。发射点距50m时,发射仪器操作员行走50m,而接收仪器操作员行走150m。这种收发方式一个T作H通常至多可以完成退尺1000m左右工作面的数据采集。
2.2 数据的处理
    数据处理是无线电波透视的核心部分,数据处理的好坏直接关系到异常解释的准确性。数据处理包括两个组成部分:一是数据处理前的数据校正;二是数据处理。数据校正是数据处理的基础。数据校正应该包括校正发射点位置、接收点场强值异常和一发双收方式数据采集两组数据的校正。数据处理包括综合曲线、射线分布、实测场强曲线、层析成像四部分。图3是根据中国地质科学院地球物理地球化学助查研究所设计生产的WKT-6型仪器配套软件解析的结果,该结果显示了探测工作面场强异常的具体分布图。
2.3 结果分析

图3 33408无线电波透视结果图
    图3中不同的颜色代表不同的场强衰减程度,红色表示场强衰减较小,灰色表示衰减较大,根据这个解释原则,可将上图的结果阁定两个异常区,见图中标定的四号异常区及五号异常区。
    异常区一:运巷A35点北70米到A39点北50米范围和材巷V2l点南25米到V23点范围内,出现了-5-20db的信号衰减,通过井下实地观测,引起信号衰减原因可能是煤层节理裂隙发育影响所致。
    异常区二:运巷A43点北10米到A51点范围和材巷A57点到A63点南30米范同内,出现了-5-30db的信号衰减,通过井下实地观洲,引起信号衰减的原因可能是煤层节理、裂隙发育或切割巷已安装好的支架干扰所致。
结论
    通过本次在汾西矿业集团双柳煤矿33408工作面局部煤层变化范围应用多种物探手段,对工作面内的构造、面内以及底板的富水情况,进行综合探钡0、分析、总结,基本查明了工作而的构造发育情况,以及面内及底板的富水情况,为矿井地质及防治水提供了一定的技术支持,在安全生产中起到了较大的作用,肯定了物探技术在双柳矿的可行性和实用性。
参考文献:
[l]刘向红.本安型瞬变电磁仪及其探测技术研究[D].淮南:安徽理T大学硕士学位论文,2009.
[2]Devancy A J.Geophysical diffraction tomogq-aphy[J].IEEE Transactionson Geoscienceand RemoteSensing.1984.
[3]Alan Witten,Molyneux J E.Geophysical imaging with arbitrary sourceillumination [J].IEEETransactionson Geoscience and Remote Sensing,1988.
[4]宁书年,张绍红,杨峰,等.无线电波层析成像技术在矿井坑透中的应用lJ1煤炭学报,2001.
f5]官云章,程久龙,温兴林,等.特厚煤层条件下工作面地质异常电磁波CT探测[J].山东科技大学学报:自然科学版,2002.
[6]董守华,王琦.层析成像在巷道无线电波透视法中的应用[J].中国矿业大学学报,2003.
[7]吴艳青地下电磁波探测及应用研究[D].长沙:中南大学硕士学位论文,2002.
[8]千琦.实测坑透资料的层析成像特殊处理效果[J].煤田地质与勘探,2001.
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