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中国矿井物探网 - 物探技术 - 低频(88KHz)无线电波透视技术在大倾角、薄煤层采煤工作面地质构造探测中的应用

低频(88KHz)无线电波透视技术在大倾角、薄煤层采煤工作面地质构造探测中的应用

1、工程概况
1.1 地质概况
S101工作面位于某矿一采区北部，回风大巷以北，某矿煤柱线以南，F14断层以西。地面位置位于办公区以西，地面为原矿业公司排土场，无村庄建筑物及受国家或地方保护区域，地面标高+98.8～+192.8m。S101工作面走向长度222m，倾向长度1043m，工作面标高-595.0～-308.0m，煤厚2.13～6.54m，平均4.6m，煤层倾角0°～24°。区内煤层赋存稳定，黑色，半亮煤，块状，夹有多层矸石，岩性以炭页岩及粉细砂岩为主，结构较复杂，属于较复杂煤层。
工作面东侧为F14断层，北东走向，倾向东南，倾角约60°，落差0-30m，可能揭露其次生、伴生等地质构造。根据现有地质资料以及西翼回风巷已揭露的情况，该区段地质构造复杂。以小断层为多，以阶梯断层为主。有可能延伸至工作面内。本矿为高瓦斯矿井，上2煤层瓦斯含量3.0-5.6m³/t，中煤层瓦斯含量5.5-8.9m³/t，上1煤层瓦斯含量2.67-4.62m³/t，预计回采期间瓦斯绝对涌出量18.69m³/min，煤层容易自燃，煤尘具有爆炸性。
1.2 探测任务
根据矿方的探测任务要求，基于S101采煤工作面的地质概况，最终确定采用低频(88KHz)无线电波透视的方法来对工作面内部构造进行探测。探测任务主要为：查明工作面内落差大于1/2煤厚的已揭露及隐伏断层延展发育情况。
2、方法选择依据和方法简介
2.1 方法选择依据
本次勘探结合了采煤工作面的地质及地球物理特征，也考虑了无线电波透视勘探技术各自的优缺点，最终确定采用低频(88KHz)无线电波透视勘探方案，其勘探方法选择依据如下：
由于含煤地层是典型的层状结构，在垂直岩层方向上煤系内地层之间的物性差异明显，一般来说，若S101工作面内部煤层厚度稳定且完整，没有构造等地质因素切割影响的话，完整的煤层相当于各向异性均衡的地质体，当电磁波在其中传播时，能量按一定规律衰减，且衰减较小，但当煤层中存在断裂构造的界面、煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等时会对电磁波产生折射、反射和吸收，进而造成电磁波能量的损耗，这就会形成无线电波透视阴影(异常区)，也即工作面内部可能存在的构造发育区。
以S101采煤工作面为例，其开采煤层赋存稳定，且厚度平均为4.6m，煤层顶板以厚度为8-10m的油页岩为主，由于S101工作面煤层厚度较小且倾角大，不利于电磁波的穿透，市面上普通的300KHz、500KHz的无线电波产品无法穿透工作面获得有效数据，区别于此，低频(88KHz)无线电波具有更强的穿透能力。YDT88(A)矿用本安型无线电波透视仪配套的158KHz和88KHz的低频线圈在兼顾分辨率的同时大大提高了无线电波的穿透能力，正适合与S101采煤工作面的地质情况。
综上所述，S101工作面的地质条件基本具备低频率无线电波透视探测的地球物理基础。
2.2 方法简介
无线电波透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，同时做等距离移动，逐点发射和接收。或发射机在一定时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。如图2-1所示。

图2-1 无线电波透视原理图

交替成层的含煤地层总体上是非均匀介质，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。电磁波透视是在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行。假设辐射源(天线轴)中点为原点，在近似均匀、各项同性煤层中，观测点到点的距离为，点的电磁波场强度由下式表示：

(1)
式中：H0——在一定的发射功率下，天线周围煤层的初始场强；单位A/m。
β——煤层对电磁波的吸收系数；
r——P点到o点的直线距离，单位m；
f(θ)——方向性因子，θ是偶极子轴与观测点方向的夹角，一般采用f(θ)=sin(θ)来计算。
在辐射条件不随时间变化时，是一常数，吸收系数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。
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)。矿井无线电波透视技术，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。
3、施工布置
3.1 标点工作
S101工作面回风巷从切眼开始标记0#点，每隔10m标注一个标记点，至80#点结束；S101工作面运输巷从切眼开始标记0#点，每隔10m标注一个标记点，至80#点结束。
3.2 无线电波透视勘探工作
根据标记点号，先从运输巷发射，回风巷接收。发射工作从运输巷75#点开始，每隔50m发射一次，直至5#点结束，共14个发射点。每个发射点在回风巷对应11个接收点，共在回风巷布置81个接收点。
运输巷发射、回风巷接收施工结束后，施工技术人员在切眼换巷，进行回风巷发射、运输巷接收施工工作，发射工作从回风巷5#点开始，每隔50m发射一次，直至75#点结束，共14个发射点。每个发射点在运输巷均对应11个接收点，共在运输巷布置81个接收点。本次S101工作面无线电波透视工程共布置28个发射点，162个接收点，具体施工图如3-1所示：

图3-1 无线电波透视勘探现场布置示意图

4、勘探设备
本次无线电波透视工作采用YDT88(A)型矿用无线电波透视仪，如图4-1。

图4-1 YDT88(A)矿用无线电波透视仪设备图

主机为矿用本质安全型。YDT88(A)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通过引进先进的数字通信调制、高速采样、嵌入式系统等技术开发完成的新一代无线电波透视仪。该仪器配备965KHz、500KHz、365KHz、158KHz和88KHz五种不同频率的收发线圈，具有收发一体、信号输出稳定等特点，支持一发多收和双巷不交换施工，低频线圈穿透能力强，透距大，操作灵活便利，极大提高了现场的施工效率及探测精度。
5、数据分析与成果解释
5.1 数据分析
现场资料上传上位机处理软件后，通过数据编辑、坐标设置、实测场强分布反演、吸收系数反演等处理步骤，生成本次S101工作面无线电波透视勘探实测场强图、实测场强图分布成像图、吸收系数反演成像图，分别如图5-1、5-2、5-3。

图5-1 S101工作面无线电波透视勘实测场强图

图5-2 S101工作面无线电波透视勘实测场强分布成像图

图5-3 S101工作面无线电波透视勘探吸收系数反演成像成果图

5.2 成果解释
上图5-2中，蓝绿色代表实测场强低值区，白黄红等暖色代表实测场强高值区，实测场强低质区即为探测异常区，实测场强分布图于实测场强曲线图结合分析共圈定3处异常区，分别为KT1#-KT3#。上图5-3中，蓝绿色代表电磁波吸收系数高值区，白黄红等暖色代表电磁波吸收系数低值区，吸收系数高值区即为探测异常区，共圈定3处异常区，分别为KT1#-KT3#。
6、探测结论与验证对比
6.1 探测结论
据实测场强曲线值变化特征、吸收系数、实测场强CT成像图、地质资料和现场情况综合分析，本次探测区域内存在3处异常区，并编号为KT1#～KT3#。具体如表6-1所示。

表6-1 S101工作面无线电波透视探测地质异常解释表

6.2 验证对比
通过无线电波透视探测成果与工作面实际揭露的地质资料验证对比分析，如图6-1所示，本次S101采煤工作面低频(88KHz)无线电波透视探测效果较好，探测异常区与实际地质资料高度重合，并对工作面内部可能存在的隐伏地质构造进行了合理的推测，为矿方井下回采工作面的开采提供了较为可靠的物探及地质技术资料。