程海燕， 楊 伐

（1．淮南礦業(yè)集團(tuán) 煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；2．安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 概 述

在采煤工作中，常因遇到未能及時查明的煤層厚度變化、小構(gòu)造、異常地質(zhì)體等地質(zhì)問題，使得工作面回采的復(fù)雜度和開采成本增加，并降低煤炭可采儲量，甚至可能導(dǎo)致安全事故頻發(fā)，最終造成經(jīng)濟(jì)和人員的巨大損失。因此，在工作面回采預(yù)備階段采取探查等的必要手段，探明工作面影響安全高效生產(chǎn)的陷落柱、斷層破碎帶等異常體及煤層變薄、富水區(qū)異常范圍，為煤礦安全高效生產(chǎn)等相關(guān)工作提供技術(shù)及安全支撐。目前，工作面構(gòu)造探查所采用的方法有多種，其中無線電波透視CT方法簡單，便于進(jìn)行大范圍的探查，不足的是其對走向斷層等異常判斷能力不足，而且單一方法探查分辨能力有限，故應(yīng)該多種方法相綜合，提高對地質(zhì)異常體的判斷能力。一般來說，對于整個工作面，探測采用無線電透視方法進(jìn)行全面探查，獲得對整個面內(nèi)構(gòu)造的區(qū)域分析［1－5］。同時結(jié)合直流電透視技術(shù)等方法對局部復(fù)雜區(qū)進(jìn)行探測，進(jìn)一步分辨走向構(gòu)造、煤層厚度變薄區(qū)等異常影響范圍。結(jié)合這兩種探查方法，可避免單一方法分辨能力低的缺點，增加對煤層厚度變化區(qū)域的解釋精度［6－8］。

本文以淮南某礦1511（3）工作面實際探查應(yīng)用為例，探討了利用無線電波透視技術(shù)及電法透視兩種技術(shù)手段，綜合判定出煤層厚度等異常區(qū)域的方法及其應(yīng)用效果，為同類地質(zhì)條件探查分析及煤礦安全高效開采提供技術(shù)參考。

2 工程背景

淮南某礦1511（3）工作面開采13－1煤層位于潘集背斜東部傾伏轉(zhuǎn)折端，煤層賦存穩(wěn)定，走向變化大。走向長度約1200m，傾斜長150m，煤層傾角7－25°，煤層頂部以片、塊狀為主，底部以粉末狀為主，煤厚3．4－5．1m，平均厚約4．4m。13－1煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，底部含1層厚0．17－0．69m的夾矸，且瓦斯含量較高。

根據(jù)已掘進(jìn)情況及資料分析，工作面現(xiàn)已存在13條斷層，且主要存在煤層由厚變薄區(qū)域。為了進(jìn)一步探明工作面構(gòu)造及地質(zhì)異常體的賦存情況，實際操作中采用綜合透視技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)勘探，為工作面回采提供技術(shù)參考資料。

3 無線電波透視

3．1 工作原理

無線電波透視法，又稱陰影法，是利用鉆孔或坑道時，利用無線電波在巖、礦媒質(zhì)傳播過程中觀測到的一些現(xiàn)象，來探測地下目標(biāo)物的一種方法。電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性（電阻率、介電常數(shù)）的不同，對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，也造成能量的損耗，使接收巷道中的電磁波信號十分微弱甚至接收不到透視信號，形成所謂的透視異常或陰影區(qū)。這就是無線電波透視CT的基本原理。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集通常采用透射觀測系統(tǒng)，通過發(fā)射點與接收點的交叉覆蓋，可以完成對工作面全覆蓋觀測。根據(jù)探測目的和現(xiàn)場實際情況，無線電波坑透在回風(fēng)巷、運輸巷巷道內(nèi)分別發(fā)射和接收。

3．2 工作布置

圖1為現(xiàn)場布置圖，其中在機(jī)巷共布置15個發(fā)射點，對每個發(fā)射點在風(fēng)巷接收13個實測場強(qiáng)值。在風(fēng)巷布置15個發(fā)射點，對每個發(fā)射點在機(jī)巷接收13個實測場強(qiáng)值。發(fā)射點間距為75m，接收點間距8m。本次采用高頻0．965MHz進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，目的是提高對目標(biāo)體的分辨率，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量好。

圖1 無線電透視射線分布圖

4 直流電透視CT

4．1 工作原理

直流電透視法即將供電電極A（或AB）和測量電極MN分別布置在采煤工作面相鄰巷道中，采用直流供電，通過測量MN間的電位差，探究兩巷道間工作面內(nèi)及圍巖中的電場分布規(guī)律，用于測量工作面內(nèi)部及其頂?shù)装鍘r層內(nèi)的含水導(dǎo)水構(gòu)造異常?，F(xiàn)場通常依據(jù)無線電波透視結(jié)果，選擇復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行重點探查。

4．2 工作布置

圖2為直流電法透視技術(shù)測線布置示意圖。為了獲得有效電位數(shù)據(jù)，現(xiàn)場將電極布置在煤層中，并將無窮遠(yuǎn)電極置于對面巷道。現(xiàn)場共利用48個電極，電極距為5m。分兩站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運輸巷布站時其無窮遠(yuǎn)電極置于對面回風(fēng)巷，回風(fēng)巷布站時其無窮遠(yuǎn)電極置于對面運輸巷，保證了供電電場的有效性，其數(shù)據(jù)采集質(zhì)量良好。

本次現(xiàn)場探測區(qū)域為工作面切眼往外370m，傾向長度150m，該段工作面寬度較大，無線電波坑透圈定的異常范圍大，既有煤層變薄帶，又有已知和隱伏斷層分布，地質(zhì)條件較復(fù)雜，通過探查異常重合區(qū)域，進(jìn)一步判別該區(qū)域的異常體特征。

圖2 電法透視技術(shù)測線布置示意圖

5 綜合探測分析

5．1 無線電波透視CT結(jié)果

利用無線電波透視CT軟件對陰影數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，獲得實測場強(qiáng)衰減及吸收系數(shù)圖。

圖3為整個工作面的無線電坑透場強(qiáng)衰減特征分布?？傻茫?00～150m、420～520m及950～1100m區(qū)段表現(xiàn)為顯著的低場強(qiáng)值特征，電磁波在該區(qū)區(qū)段穿透能力弱，其中100～150m段巖石吸收系數(shù)值總體較高，與巷道揭露斷層有關(guān)。而在780～840m段，巖石吸收系數(shù)值相對較高，該范圍巷道揭露斷層有關(guān)。其中1000～1100m段，巖石吸收系數(shù)值相對較高，該范圍可能預(yù)示著巷道斷層的存在。

圖3 無線電波透視場強(qiáng)衰減分布及異常判斷

綜合圖3以及上下順槽地質(zhì)狀況，圈定了3個異常區(qū)。

1＃異常區(qū)為斷層影響區(qū)，該異常區(qū)范圍在回風(fēng)順槽可能存在斷層，F(xiàn)15113－5（H＝1．8m）對該異常區(qū)的展布起控制作用。該范圍沿煤層走向影響范圍約130m，沿傾向影響長度約150m；

2＃異常區(qū)為斷層異常區(qū)，該異常區(qū)范圍在回風(fēng)順槽存在斷層，F(xiàn)15113－3（H＝2．0m）對該異常區(qū)的展布起控制作用。該范圍沿煤層走向影響范圍約100m，沿傾向影響長度約110m。

3＃異常區(qū)為斷層異常區(qū)，該異常區(qū)范圍在回風(fēng)順槽揭露斷層，F(xiàn)15113－2（H＝0．3～0．6m）對該異常區(qū)的展布起控制作用。該范圍沿煤層走向影響范圍約40m，沿傾向影響長度約135m。

圖4 電法透視CT視電阻率反演結(jié)果

5．2 直流電法透視

圖4為直流電法透視段反演電阻率分布圖，其中電性分布差異表征煤層的分布特征。根據(jù)圖4可得，在1000～1100m區(qū)段視電阻率明顯較低，阻值為9～15Ω，由此可在無線電透視（即陰影法）的結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步圈定了異常區(qū)的范圍，對煤層變薄區(qū)域進(jìn)一步細(xì)化。

經(jīng)工作面現(xiàn)場回采證實探測解釋的3個異常區(qū)域與煤層變薄區(qū)域在空間位置上較好地吻合。其中1號異常區(qū)為斷層構(gòu)造及煤層變薄帶，且明顯富水，綜合判斷結(jié)果與實際揭露一致。

5 結(jié) 論

（1）無線電波透視及直流電法透視法綜合探測技術(shù)能揭露上下順槽面內(nèi)煤層地質(zhì)條件，可對工作面內(nèi)構(gòu)造進(jìn)行有效探查分析，效果良好。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，無線電波透視適于面寬較大工作面、巷道較長的地質(zhì)探查，具有快速施工、操作簡便、分辨率高等特點，能對整個工作面內(nèi)構(gòu)造進(jìn)行普查。

（3）對于工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，可以采用直流電透視等方法進(jìn)行重點探查，獲得對煤層變薄區(qū)等異常的判斷。

（4）對于走向斷層、煤層變薄區(qū)等異常的判斷標(biāo)準(zhǔn)還需深入研究，如無線電波透視中判斷異常的吸收系數(shù)、直流電透視判斷電阻率等標(biāo)準(zhǔn)，這對提高解釋精度具有重要的作用。通過及時收集工作面回采過程中的煤厚等地質(zhì)資料進(jìn)行統(tǒng)計，總結(jié)經(jīng)驗、完善理論，形成科學(xué)合理的技術(shù)參數(shù)，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

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