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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
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
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
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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