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无线电波透视技术在探查工作面隐伏地质构造中的应用
新闻作者:东北办事处 白永利  发布时间:2015-07-28  查看次数:  放大 缩小 默认
1 前言
    采煤工作面内隐伏地质构造一直是煤矿生产取舍综采工艺的重要因素之一,特别是在一些地质构造复杂、煤层薄、断层多、倾角大的地区,地质构造使得煤层赋存发生明显异常变化,不仅使综采机械化装备的优势得不到发挥,煤炭资源得不到充分利用,还为煤矿带来很多难以预知的灾害。如果能够预先探查到工作面内隐伏构造的发育形态及影响范围,就可以提前选择采煤方法和回采工艺等行之有效的技术手段,从而在保证安全高效生产的同时,也保证了资源的最大化开采,因此对工作面内隐伏地质构造发育情况的超前预报工作显得特别重要,为使超前预报工作更加准确,人们已经采用了多种物探方法对煤矿井下工作面内隐伏地质构造进行探查,例如直流电法透视、地震透视CT法、三维地震法、无线电波透视法等,在众多物探方法之中,无线电波透视法具有理论成熟、设备轻便、施工工艺简单、数据采集方便快捷、所需劳动力少、透视距离大、探测效果显著等优势,成为探查综采工作面内隐伏构造效果最明显、适用性最强、使用率最高的物探方法之一,得到广大煤矿企业地测系统技术人员的认可和信赖。无线电波透视技术对不同类型地质构造的分辨率不同,反演所得到的吸收系数结果图也有着不同的规律,通过长期的实际应用与揭露验证,可以总结出一些经验性的规律,给数据的地质分析提供基础保障,从而保证探测成果更加准确。

2 无线电波透视技术简介
2.1 无线电波透视技术基本原理
    电磁波在地下介质中传播时,由于不同岩、矿石电学性质的不同,它们对电磁波能量吸收程度不同,低阻岩层对电磁波吸收作用较强,当电磁波在传播过程中遇到构造(断层、陷落柱等)界面时,会在界面上产生一定的反射与折射作用,造成电磁波能量损耗。因此,在煤矿井下的煤层内,电磁波在传播过程中遇到断层、陷落柱或其它构造时,电磁波能量会被吸收或完全被屏蔽,则在接收巷道只能收到微弱的信号或收不到透射信号,形成所谓的透视异常。通过研究探测区域煤层、各种地质构造及地质体对电磁波的影响所造成的透视异常,从而更加精确的进行地质构造异常的推断和解释。
2.2 透视工作方法
2.2.1 观测方法简介
     煤矿井下无线电波透视施工一般在回采工作面的上下两巷间进行,如在运输巷布置发射点,向煤层中发射某一频率的电磁波,在回风巷布置接收机观测电磁场场强H信号,完成整条巷道观测后,发射机与接收机互换巷道,再次进行观测,达到多次覆盖。
    观测方法主要分为同步法与定点法两种方式。其中同步法是将发射天线与接收天线分别布置在探测工作面上巷与下巷中,并等时等间距移动,逐点发射与接收,如图1所示。该方法存在盲区,较少采用。
定点法是将发射天线布置于工作面上巷(或下巷)中的发射位置上,接收天线在工作面下巷(或上巷),且在一定范围内逐点沿巷道接收并观测场强值,一个发射点对应多个接收点,观测接收完一个发射点对应的所有接收点,再进行下一个发射点对应接收点的观测接收,该方法又称定点交会法,如图2所示。

图1 同步法观测示意图
图2 定点法观测示意图
2.2.2 定点法观测系统简介
    现场数据采集一般在工作面切眼刚刚贯通,未安装架子前。在回风巷和机巷布置发射点与接收点,可采用一发“一收模式”进行采集;也可采用“一发双收”模式采集,所谓“一发双收”,即一台发射机对应两台接收机,两台接收机配合使用,可充分利用发射机,提高工作效率,同理还有“一发多收”模式。
2.3 井下干扰及其排除措施
    干扰主要包括人文干扰与地质干扰两种,其中进行无线电波透视施工的巷道中存在的人工导体,对电磁波的传播会有不同程度的干扰作用,故需在探测前与探测中采取相关的排除措施。底板上的电溜子与铁轨、巷道侧帮上的铁管、侧帮或顶板上的电缆与金属锚网、金属支架及其它导体等对电磁波有导引作用,存在一定梯度的二次场,其对电磁波的传播均有影响,从而对无线电波透视分辨率与成果解析造成一定干扰,故在施工过程中应尽量远离该类干扰体(最好在1m以上)。此外,应尽量避开地质构造发育带区。
2.4 资料处理与解释
    目前无线电波透视数据处理与解释方法主要有场强对比法与CT成像法,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,场强越小位置,表示越有可能为构造异常位置;CT成像法利用SIRT 等算法,将工作面划分像元,并反演各像元吸收系数值,从而实现工作面成像区内吸收系数反演成像,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,一般情况色谱变化规律为白→灰→黑,代表吸收系数不断增大的变化,吸收系数越大位置,表示越趋向于工作面存在构造异常等的位置。
3 应用实例
    黑龙江鹤岗、双鸭山地区为地质构造发育复杂,且煤层厚度较薄,开采倾角大,工作面回采过程中常常伴有断层、褶曲、岩浆岩侵入等地质构造,通过无线电波透视技术对具有几种代表性构造的工作面进行探测。实例中采用的仪器为福州华虹智能科技服份有限公司生产的YDT88型矿用无线电波透视仪,且均采用发射点距50m,接收点距10m的“一发双收”观测模式,探测结果均采用吸收系数反演成像图表示。
3.1 复合构造工作面探测实例
    黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司兴山煤矿三水平北部区30层综采工作面上下巷掘进过程中,揭露多处断层,且无规律性,急需确定面内构造情况,故进行了无线电波透视探测,结果如图3所示。

图3 无线电波透视吸收系数反演结果与实际揭露地质构造对比图
    根据以上吸收系数反演结果与实际揭露地质构造对比图可以看出,共存在3处异常位置(吸收系数大于0.35的灰黑色区域),且探测成果与实际揭露比较吻合。详细如下:
    YC1#:横向20-260m,该处根据吸收反演成像图片区状反应及上下巷掘进过程中的揭露,解释为复合断层综合影响区,对回采工作会有影响。实际揭露验证该处为FB、FC、FH、FI等多处断层综合影响区,是明显的复合构造影响带,其中FB落差3.5m、FC落差4.5m,对回采工作产生了较大影响;
    YC2#:横向270-360m,该处解释为工作面内及上方存在已有巷道导致,且伴有煤厚变化。实际揭露验证与资料对比显示该处工作面内存在两条斜交巷道,且与上部29-30层材料石门相连通,同时工作面内底板存在石包,导致煤层轻微变薄,相比厚度减小0.2米,此处异常为两者综合影响反应;
    YC3#:横向350-440m,纵向靠近风道(上巷)80-100m,该处解释为外侧延伸入工作面内的断层影响带。实际揭露验证为已掘巷道揭露的走向断层在工作面内的延展,且在图中坐标360m位置歼灭,与探测结果相符,相对划定的异常范围相对大一些,与近倾向构造划分相比精确度略差。
3.2 简单构造工作面探测实例
    黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司双阳煤矿西采区6层上分层工作面处于该矿构造发育相对简单区域,上下巷道掘进过程中仅在机道G16点前15m揭露一处断层构造,但该区常存在煤厚变化现象,需进行无线电波透视,对工作面内部隐伏构造发育情况及主要煤厚变化带进行探查,成果如图4所示。
图4 无线电波透视吸收系数反演结果与实际揭露地质构造对比图
    
    根据以上吸收系数反演结果与实际揭露地质构造对比图可以看出,共存在2处异常位置(吸收系数较大的灰黑色区域),且探测成果与实际揭露情况比较吻合,可以明显看出在探测沿工作面倾向伸展的构造上无线电波透视技术的分辨率较高。详细如下:
    YC1#:横向70-100m,纵向0-60m,该处解释为揭露断层的影响区,且在纵向60m范围内歼灭。实际揭露验证确为G16点前15m处断层造成,落差1.2m,纵向延伸58m后歼灭,且与构造实际走向一致;
    YC2#:风道210-300m、机道230-340m,结合上下巷道剖面图该处解释为小的褶曲(向斜)构造,存在煤厚变化。实际揭露验证为图中两条纵向倾斜线间褶曲(向斜)构造影响带,受构造影响,该处煤厚发生变化,厚度均小于1m,在0.9-0.95m左右(见柱状图),异常走向与实际构造走向基本一致;
    DF31:G13点前14m处三维地震预测的DF31断层,无线电波透视结果显示该处并无明显异常反应,并予以否定,实际揭露显示该处确实未发现断层等构造,对比表明相比远距离的地面三维地震勘探技术,该种近距离无线电透视技术,具有更高的分辨率与准确度。

3.3 岩浆岩侵入工作面探测实例
    黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司新安煤矿为双鸭山地区岩浆岩侵入最为严重的煤矿,几乎在每个形成的工作面内都伴有岩墙的发育,2采区6层工作面上下巷掘进过程中遇到多处岩墙,故进行无线电波透视,对工作面内部岩墙及其他隐伏构造发育情况进行探查,结果如图5所示。

图5 无线电波透视吸收系数反演结果与实际揭露地质构造对比图

     根据以上吸收系数反演结果与实际揭露地质构造对比图可以看出,共存在3处异常位置(吸收系数大于0.055的灰黑色区域),且探测成果与实际揭露很吻合,对岩墙及近倾向构造的分辨率较高。详细如下:
    YC1#:上巷20-30m,下巷30-40m,该处解释为岩墙影响区域,且贯穿工作面。实际揭露验证为宽度2.5m的岩墙发育区,且伴有断层响应,构造走向及影响范围与探测成果基本一致;
    YC2#:上巷80-120m,下巷40-50m,该处解释为岩墙发育区,且不仅为一条岩墙。实际揭露验证为上巷两处岩墙延伸入工作面内,并在面内汇聚,宽度分别为1.5m与2m,揭露构造走向与探测成果吻合;
    YC3#:上巷195-210m,下巷185-200m,该处解释为近倾向岩墙发育影响导致。实际揭露验证为宽度在1.5~1.4m的岩墙位置,且岩墙走向和探测成果一致,影响范围划分也较为接近。

4 结束语
    (1)无线电波透视技术在探测工作面内存在的、一定大小的隐伏地质构造等影响区域上具有非常可靠的效果,如断层、褶曲、岩浆岩侵入、空巷、石包等发育地带,能够为煤矿工作面回采工作提供可靠的地质依据与技术保障,如实例3.1~3.3。此外,与远距离的地面三维地震探测技术相比,在探查工作面内构造方面,近距离的无线电波透视技术具有更高分的辨率,如实例3.2中的DF31。
    (2)通过对探测采集的数据进行反演,并得到的吸收系数反演结果图,就吸收系数反演结果图而言,我们可以看出,无线电波透视技术对工作面内不同的隐伏地质构造具有不同的分辨率及响应,其中:
    A)对于工作面内复合式构造带能够大体确定整体复合构造的影响区域,但很难区分开每一个分支构造的发育情况,且划分区域相对较大,如实例3.1中的YC1#异常;
    B)对于单一沿工作面近倾向发育的构造(断层、褶曲、岩墙等),反演吸收系数结果能够清晰、精确的分辨出构造走向与构造发育影响范围,分辨率相对更高,如实例3.2与实例3.3;
    C)对于单一沿工作面近走向的隐伏构造,反演吸收系数结果,能够基本确定构造影响所在工作面横向范围,很难精确的分辨异常构造走向及精准的影响范围,需结合已揭露地质资料进一步详细分析,便可更加精确的解析出工作面内构造发育情况,如实例3.1中YC1#异常。
    (3)通过实际探测应用得出,无线电波透视工作最好在切眼刚刚贯通,未安装架子之前,且针对不同的探测目的与地质环境布置合理的观测系统,选取适当的工作频率及装置,且在探测过程中应注意合理排除干扰体(铁器、电缆、地质因素等)影响,数据处理时应进行必要的校正(收发点位置、干扰校正等),数据解析时应注意用已知异常位置的异常参数来确定划分未知区域异常的参数。

作者简介: 白永利,男,1989年9月14日出生于内蒙古通辽市,2011年7月毕业于中国矿业大学地球物理学专业,并获得学士学位,现于福州华虹智能科技服份有限公司东北办事处从事矿井物探技术工作。
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