李敬鵬

（陽(yáng)煤集團(tuán) 壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045000）

1 概 況

煤礦采掘活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到很多方面，井田內(nèi)開(kāi)拓、掘進(jìn)、工作面回采期間揭露地質(zhì)構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，直接影響煤礦采掘的進(jìn)程和效率，對(duì)煤礦采掘生產(chǎn)影響重大。因此，煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中要充分考慮地質(zhì)構(gòu)造因素，在工作面設(shè)計(jì)及回采前提前查清其內(nèi)部隱伏構(gòu)造，為工作面的布置及回采措施的制定提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

開(kāi)元礦業(yè)位于壽陽(yáng)縣城西北約14 km 處，行政區(qū)劃屬于壽陽(yáng)縣平舒鎮(zhèn)和南燕竹鄉(xiāng)管轄，井田面積約28 km2，井田形狀近似長(zhǎng)方形，南北長(zhǎng)約5.5 km，東西寬約5.0 km，如圖1 所示。開(kāi)元礦業(yè)主采煤層為3、9、15、15下號(hào)煤層，本文以該礦9101 工作面和9403 工作面為例，采用無(wú)線(xiàn)電波坑透和槽波地震探測(cè)技術(shù)查明兩回采工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的分布情況。

圖1 開(kāi)元礦地理位置Fig.1 Geographical location of Kaiyuan mine

2 方法介紹

2.1 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視

無(wú)線(xiàn)電波坑道透視是一種電磁波探測(cè)方法，通過(guò)研究高頻電磁波在巖石中傳播規(guī)律，從而揭示地下構(gòu)造的一種物探方法。電磁波在地下傳播時(shí)，因各種巖石有電性差異，對(duì)電磁波能量吸收不同，電阻率低的巖石的吸收作用大。當(dāng)?shù)叵鲁霈F(xiàn)各種構(gòu)造如斷層、陷落柱時(shí)，它們對(duì)電磁波還具有反射和折射的作用，也會(huì)造成電磁波能量的損耗。

研究煤層與各種巖石及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)電磁波傳播的影響所造成的各種異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋?zhuān)菬o(wú)線(xiàn)電波坑道透視的物理基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視發(fā)射接收示意圖Fig.2 Diagram of radio wave tunnel perspective transmitting and receiving

2.2 槽波地震

槽波地震是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波以探查煤層不連續(xù)性的一種物探方法。由于煤的密度和彈性波傳播速度一般小于煤層頂、底板的速度，所以在煤層內(nèi)激發(fā)的槽波大部分能量不能向煤層外部傳播，總是在煤層頂板和底板之間反射和疊加，從而形成了槽波，如圖3、圖4 所示。常用的槽波地震透射法其最大探測(cè)距離約為煤層厚度的300 倍。

圖3 透射法探測(cè)原理平面示意圖Fig.3 Plane of transmission method detection principle

圖4 透射法探測(cè)原理剖面示意圖Fig.4 Profile of transmission method detection principle

3 地質(zhì)構(gòu)造探查

3.1 9101 工作面無(wú)線(xiàn)電波坑道透視

開(kāi)元礦9101 工作面為9 號(hào)煤綜采工作面，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)400 m，傾斜長(zhǎng)150 m，煤層平均厚度約3.4 m，中間含1 層夾矸0.5 m。因工作面較窄，約150 m，采用無(wú)線(xiàn)電波坑道透視對(duì)工作面內(nèi)影響幅度大于煤厚的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，方法選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用，滿(mǎn)足實(shí)際需求。

9101 工作面坑透工作采用WKT-E 型無(wú)線(xiàn)電波坑道透視儀，發(fā)射頻率選用0.3 MHz。探測(cè)范圍為9101 整個(gè)工作面，設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)390 m，沿上巷布置發(fā)射點(diǎn)9 個(gè)、下巷布置發(fā)射點(diǎn)7 個(gè)，共計(jì)16 個(gè)。發(fā)射點(diǎn)間距約50 m（根據(jù)巷道條件適當(dāng)調(diào)整），每個(gè)發(fā)射點(diǎn)接收15 個(gè)點(diǎn)，接收點(diǎn)間距10 m，接收點(diǎn)共計(jì)約240 個(gè)。

無(wú)線(xiàn)電波坑道透視采用實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分析法進(jìn)行處理，這是無(wú)線(xiàn)電波坑道透視最基礎(chǔ)的處理方法，原始數(shù)據(jù)通過(guò)錄入及預(yù)處理采用專(zhuān)門(mén)的軟件繪制出實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)解析曲線(xiàn)圖，通過(guò)對(duì)比分析實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)衰減規(guī)律，確定異常的位置和范圍，再結(jié)合已知的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析。

圖5 為9101 工作面無(wú)線(xiàn)電波坑道透視實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)解析曲線(xiàn)圖，圖中橫坐標(biāo)為接收點(diǎn)的位置，縱坐標(biāo)為實(shí)測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)值。根據(jù)此次實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)弱，在探測(cè)區(qū)域內(nèi)圈定1 處地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)（K1），如圖6 所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)解析曲線(xiàn)Fig.5 Analytical curve of field strength measured by radio wave tunnel perspective

圖6 無(wú)線(xiàn)電波坑道透視圈定異常位置Fig.6 Delineation of abnormal location by radio wave tunnel perspective

K1 異常區(qū)位于工作面2～18 號(hào)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)下巷0、6、12 號(hào)發(fā)射點(diǎn)和上巷0、5、10 號(hào)發(fā)射點(diǎn)接收數(shù)值整體偏低。結(jié)合曲線(xiàn)形態(tài)及巷道揭露情況分析，在K1 范圍內(nèi)K1-1 和K1-2 為巷道揭露斷層在工作面內(nèi)的延伸反應(yīng)，K1-3 為一隱伏地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合其曲線(xiàn)形態(tài)推測(cè)為陷落柱。

9101 工作面回采后，工作面實(shí)際揭露情況如圖7 所示。通過(guò)對(duì)比可知，無(wú)線(xiàn)電波坑道透視所圈定地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)與實(shí)際揭露情況一致。

圖7 9101 工作面回采實(shí)際揭露情況Fig.7 Actual exposure of No.9101 Face mining

3.2 9403 工作面槽波地震

開(kāi)元礦9403 工作面為9 號(hào)煤綜放工作面，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)700 m，傾斜長(zhǎng)177 m，煤層平均厚度約4 m，中間含1 層夾矸0.15 m。因工作面較寬，約180 m，采用無(wú)線(xiàn)電波坑道透視無(wú)法穿透工作面接收到有效數(shù)據(jù)，因此決定采用槽波地震透射法對(duì)9403 工作面的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。

根據(jù)探測(cè)目的，9403 工作面槽波地震探測(cè)沿上巷（0～70 號(hào)區(qū)域） 里幫布設(shè)炮點(diǎn)，炮間距20 m，布設(shè)35 炮，編號(hào)S1～S35；沿下巷（0～70 號(hào)區(qū)域） 里幫布設(shè)檢波點(diǎn)，道間距20 m，布設(shè)35 個(gè)檢波點(diǎn)，編號(hào)G1～G35，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度共計(jì)700 m。

槽波地震采用正演模擬系統(tǒng)，利用槽波的多種信息，通過(guò)多種參數(shù)綜合分析，形成有針對(duì)性的處理解釋手段，從而有效地識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造異常體。煤層中的異常體在資料中有多種反映，通過(guò)繪制槽波地震CT 解析圖并結(jié)合工作面的相關(guān)地質(zhì)資料，采用物探、地質(zhì)解釋方法的聯(lián)合對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行合理推斷，準(zhǔn)確地圈定異常區(qū)位置及范圍。

此次槽波解釋以槽波水平疊加為依據(jù)，結(jié)合巷道內(nèi)已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行分析，圖8 為9403工作面槽波地震探測(cè)CT 解析成果圖，探測(cè)區(qū)域內(nèi)圖中顏色代表能量值大小。根據(jù)圖8，槽波地震在探測(cè)范圍內(nèi)存在6 處地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)，記為C1～C6，如圖9 所示，此6 處異常推斷為陷落柱。

圖8 9403 工作面槽波地震CT 解析圖Fig.8 In-seam wave seismic CT analysis of No.9403 Face

圖9 9403 工作面槽波地震工作布置及成果Fig.9 In-seam wave seismic working arrangement and results of No.9403 Face

9403 工作面回采后，工作面實(shí)際揭露情況如圖10 所示。通過(guò)對(duì)比可知，槽波地震所圈定地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)（C1 ～C5） 與實(shí)際揭露情況基本一致。

圖10 9403 工作面回采實(shí)際揭露圖Fig.10 Actual exposure of No.9403 Face mining

4 結(jié) 論

（1） 地質(zhì)構(gòu)造是影響煤礦工作面回采的一項(xiàng)重要因素，在工作面回采前有必要提前查清其內(nèi)部構(gòu)造。無(wú)線(xiàn)電波坑道透視是一種在煤礦被廣泛認(rèn)可的可靠的物探手段，也是應(yīng)用最為廣泛的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)手段，其設(shè)備輕便、施工效率高、成本低。隨著大型工作面（采寬在150 m 以上） 在煤礦被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)和布置，無(wú)線(xiàn)電波坑道透視由于受生產(chǎn)及客觀條件的限制，探測(cè)精度往往不盡人意，甚至不能達(dá)到探測(cè)目的。而槽波地震是地質(zhì)探測(cè)中最具發(fā)展?jié)摿Φ奶綔y(cè)技術(shù)，近年來(lái)日趨成熟，已成為探測(cè)小斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體精度最高的技術(shù)。在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中,無(wú)線(xiàn)電波坑道透視和槽波地震技術(shù)的應(yīng)用為煤礦地質(zhì)異常探測(cè)提供了更多的探測(cè)手段和技術(shù)方法，同時(shí)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)也具有重要意義。

（2） 以開(kāi)元礦業(yè)9101 工作面和9403 工作面為探查對(duì)象，根據(jù)2 個(gè)工作面的實(shí)際情況，分別采用無(wú)線(xiàn)電波坑道透視和槽波地震兩種物探方法準(zhǔn)確地探查出了斷層和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，及時(shí)指導(dǎo)了工作面的布置及回采，保證了工作面安全高效開(kāi)采。