摘 要：采煤工作面地质构造是严重影响煤矿安全、高效、低成本、高回采率采煤的地质因素之一。无线电波透视技术、槽波透射勘探技术等矿井物探技术经过多年的发展，是目前回采工作面地质构造探查方面最为有效且最为常用的矿井物探技术手段，同时，多方法综合探测能够有效提升勘探成果解释精度。本文介绍了无线电波透视勘探技术、槽波透射勘探技术基础原理及基础应用方向，并应用两种技术对高阳煤矿31116工作面构造进行实际应用探查，通过对采集的两种方法的数据进行单方法反演成像，无线电波透视勘探衰减系数成像能够探明构造在工作面横向的发育区段，槽波透射勘探速度成像能够更加精细的确定区段内构造发育形态及位置，通过两种方法的对比验证，并结合地质情况最终精确查明了工作面内部构造发育情况，进而为煤矿生产提供了可靠地技术依据。
引言
以往煤炭资源开采为浅部、构造简单区域集中开采，随着日益开采程度的加大，资源赋存趋向于地下深部空间集中，开采模式趋向于深部综采机械化开采。深部采煤工作面多面临矿压大、地质构造发育复杂、水文地质条件复杂、井下温度高、顶板管理强度大、支护工作难度大等一些列技术难题。同时，采煤工作面内地质构造往往引发煤与瓦斯突出事故，导通采空区、含水层等水源发生水害事故，受构造影响导致应力破坏、顶板破碎而发生顶板事故，地质构造的发育同时造成回采率降低、吨煤成本增加。在当前形势下，仅仅依靠传统的地质方法，查明采煤工作面地质构造发育情况是不够的。如：钻探及巷探是直接观测法，优点是能够直观观测被研究的地质体，结论是明确单一的，缺点是观测经常是不连续的，矿井地质人员通过内插或外推得出的结论有较大误差，甚至导致结论错误，同时成本过高。地面高分辨三维地震技术是煤层地质构造探查最为常用的地面物探方法，但受地质条件、设备性能等影响，对于规模较小的构造难以分辨，对于规模较大的断层受勘探深度大的影响，有时探查出的赋存位置与实际位置偏差较大。
因此，综合运用井下综合物探方法在采煤工作面附近探测地质异常，是矿井地质工作者首选手段之一，多种矿井物探成果资料结合地质资料进行综合解释，大大地降低了多解性，取得更好的地质效果。无线电波透视技术、槽波地震勘探技术是目前煤矿井下主要用来探查采煤工作面内部构造的矿井物探方法，无线电波透视技术能够探明构造在采煤工作面横向的发育区间，槽波透射勘探技术能够更加精细确定地质构造的发育形态及位置，通过对两种方法获取的成果异常区进行对比验证，确定异常存在一致性与真实性，并结合地质资料最终能够精确查明工作面内部构造发育情况。
1 勘探技术方法
1.1 无线电波透视勘探技术
无线电波透视技术[1]主要用于勘探回采工作面内部地质构造(断层、火成岩等)、煤体结构变化、煤层厚度变化等的探查；也可以用于辅助工作面内瓦斯富集评价、富水性评价等领域的科学研究。
无线电波透视法又称坑透法[2]。井下煤层为近均匀、各向同性介质，当采用长度小于波长的短偶极子天线在一条巷道向煤层中发射电磁波(偶极子天线辐射场见图1，并使其在地下煤岩层介质中传播时，在距辐射源距离r处的电磁场强度为Hr，见公式(1)，在另一条巷道的接收天线接收的是发射机所发射的电磁波在水平方向上电磁波的一个分量，且因为地下各种岩、矿石介质的电性(电阻率和介电常数等)不同，介质对电磁波能量吸收[3]程度不同，地下煤层与岩层相比表现为相对高阻，低阻(高电导率)岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当电磁波传播过程中遇到断层、火成岩、陷落柱等地质构造所出现的物性差异界面时，电磁波会在异常界面上发生不同的反射与折射作用，也造成电磁波能量的损耗，从而导致接收巷道中的电磁波信号十分微弱甚至无法接收到透射信号，形成所谓的透射异常(又称阴影异常)。通过分析回采工作面煤层、地质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，进而进行地质规律推断与解释，这就是无线电波透视法的基础原理。

H0为初始场强；
β为煤层对电磁波的吸收系数[4]；
f(θ)为方向性因子；
r为M点到O点的直线距离(m)；
θ为偶极子轴与观测方向的夹角。

无线电波透视勘探施工方法主要包括同步法和定点法[5]两种。同步法即发射端和接收端分别位于同一个回采工作面的不同巷道中，且等时等距离移动，逐点发射与接收，该方法因为存在未覆盖区域，产生一定盲区，而较少采用，同步法施工示意图见图2。



定点法也称定点交汇法[6]，为常用的施工方法，同样发射端和接收端分别位于同一个回采工作面的不同巷道中，发射端一段时间内相对固定在一条巷道的一个位置，在这段时间里接收端在另一条巷道逐点接收，发射接收完成一条巷道后进行互换，并重复发射接收工作，达到完全透视观测，一般发射点间距50m，且发射点位于与一站对应接收点中点相对的另一条巷道位置，接收点一般间距为10m，且接收点数量大部分为11～21间的奇数，定点法施工示意图见图3。



1.2 槽波透射勘探技术
槽波最重要的特性就是频散[7]，它需要在特定的煤岩层地质模型中产生。根据地层的沉积特性，煤层一般发育于顶底板为岩石的夹层地带中，且顶底板岩性大多为泥岩、砂岩等，密度 ，对应地震波波速 ，通过波阻抗计算可知，顶底板相对于煤层而言是高阻抗界面，为地震波发生全反射提供保障。当在煤层中采用特定震源激发地震波时，纵波和横波在煤层中向前传播，会在煤层顶底板发生多次全反射[8]，使得纵波和横波的大部分能量被禁锢在煤层中，不断向前传播，在传播的过程中发生叠加、相长干涉，从而便形成了槽波，主要包括拉夫型槽波、瑞雷型槽波两种，拉夫型槽波因其具备物理构成简单、易接收记录等特性，应用更为广泛。槽波形成原理图见图4。

槽波地震勘探[9]就是通过利用在煤层中激发地震体波，使其在传播过程中产生槽波，通过对记录的槽波信息进行提取并分析，从而达到煤层中构造发育、煤层厚度变化等精细探测。槽波勘探方法主要包括透射法与反射法两种[10]。
槽波透射勘探技术[11]主要用于煤矿井下回采工作面内部地质构造、空区空巷残存、煤厚变化等煤层不连续性探测，同时还可用于煤层厚度等煤体结构变化探测。其施工一般在回采工作面的一条巷道侧帮布置震源进行激发，在另一条巷道侧帮布置检波点进行记录，在现场条件满足的情况下，还可以在切眼位置布置震源或检波点，从而实现透视观测系统。槽波透射勘探原理平面示意图如图5。

2 应用案例
2.1 工区概况
工区位于高阳煤矿31116工作面，改工作面的走向长1766m，回采长度为1705～1720m，倾斜长200m，面积341230.209㎡。
工作面开采太原组9-10-11#合并煤层，煤岩层倾角3-14°，煤岩层平均倾角8°，煤层厚度7.8-8.5m，平均厚度为8.2m，煤层结构为1.8(0.15)3.36(0.09)2.8，可采指数为1，变异系数18%，煤种为瘦煤，稳定可采。
工作面无伪顶发育，直接顶为厚度0～1.5m的石灰岩，厚层块状含方解石脉底部具少量泥岩，老顶为平均厚度6.16m的石灰岩，致密坚硬，具裂隙充填，有次生方解石脉，含石并夹钙质泥岩，含植物化石；直接底为平均厚度2.6m的灰色铝土泥岩，老底为平均厚度2.69m的灰色细粒砂岩。
本工作面煤岩层基本为单斜构造区，产状为走向北西，倾向北东；断层、陷落柱发育。掘进过程中材料巷揭露了断层F1，运输巷揭露断层F2～F4，绕巷揭露断层F5，材料巷揭露陷落柱Z1、Z2、Z4、Z5，运输巷揭露陷落柱Z3。
2.2 勘探设计
结合地质概况采用无线电波透视技术、槽波透射勘探技术进行31116工作面地质构造综合探查。
(1)无线电波透视勘探施工
无线电波透视勘探采用定点法，施工时材料巷及运输巷均对应布置测线长度1750m，接收点176个，接收点间距10m，发射点34个，发射点间距50m，且发射点均在测线开始的50m位置开始布置，每条巷道1个发射点对应另一条巷道11个接收点。
(2)槽波透射勘探施工
槽波透射勘探施工时，材料巷及运输巷均对应布置测线长度1750m，检波点176个，检波点间距10m，炮点87个，炮点间距20m，且炮点均在测线开始的5m位置开始布置，每条巷道1个炮点激发对应另一条巷道所有检波点接收。

3.3 数据处理
无线电波透视勘探数据处理采用福州华虹智能科技股份有限公司自主研发的《YDT88矿用无线电波透视仪处理系统》处理，具体处理流程详见图6，槽波地震勘探数据处理采用《KDZ3114槽波数据处理软件系统》处理，详细数据处理主体流程见图7。

2.4 勘探成果
(1)无线电波透视勘探成果
通过数据处理得到实测场强曲线图，见图8及图9，并对数据进行衰减系数CT成像，最终得到31116工作面无线电波透视衰减系数CT成像平面成果图，详见图10，结合实测场强曲线及衰减系数CT成像图，最终确定5处场强低值、衰减系数高值地质异常区，并编号为KT1#～KT5#，具体位置见表1。




(2)槽波透射勘探成果
通过对槽波透射数据的处理，得到《31116工作面槽波速度分布CT成像平面成果图》，见图11，并确定11个槽波速度高值异常区，编号为CBS1#～CBS11#、同时得到《31116工作面P波速度分布CT成像平面成果图》见图12，并确定10个P波速度高值异常区，编号为PBS1#～PBS10#。结合槽波速度、P波速度高值异常区共确定16个槽波透射勘探异常区，编号为CB1#～CB16，详细见表2。






(3)无线电波透视、槽波透射勘探综合成果
结合无线电波透视KT1#～KT5#衰减系数高值异常及槽波透射CB1#～CB16地震异常，通过异常位置的对应关系，相互验证，确定两种勘探成果异常区域的一致重叠性与真实性。结合巷道揭露、钻探等实际地质资料，将物探异常与揭露构造进行对应，通过无线电波透视勘探异常确定了地质构造的主体发育区域，通过槽波透射勘探异常对构造发育形态及范围进行详细定位，最终形成《31116工作面无线电波透视、槽波透射综合地质成果解释图》，见图13，《31116工作面无线电波透视、槽波透射综合地质成果解释表》见表3。



4 结束语
无线电波透视技术、槽波透视勘探技术能够有效探查采煤工作面内部地质构造发育情况，特别是落差1/2煤厚以上的断层、最大直径20m以上的陷落柱等较大构造，其中无线电波透视技术能够探明构造在采煤工作面横向的发育区间，槽波透射勘探技术能够更加精细确定地质构造的发育形态及位置，通过两种方法勘探成果异常区的比对，得到异常存在一致性与重叠性，进而确定物探成果异常的准确性，并通过与巷道揭露、打钻等地质资料相结合，最终能够进一步精确查明工作面内部构造发育情况，并做到定性解释。总之通过多种井下物探方法勘探能够有效提高井下物探方法在采煤工作面内地质构造探查的精度。
作者简介
白永利(1989-)，男，内蒙古通辽市人，汉族，物探工程师，2011年毕业于中国矿业大学地球物理学专业，获得学士学位，2017年毕业于吉林大学地质工程专业，获得工程硕士学位。现于福州华虹智能科技股份有限公司，从事矿井物探技术与设备应用研究。