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中國礦井物探網 - 礦井地質 - 無線電波透視技術在煤礦安全生產中的應用
 
 
無線電波透視技術在煤礦安全生產中的應用
信息來源:網站編輯部   添加日期:2016-4-13   瀏覽次數:3666
張家貴1,王國飛1,魏著霖2
(1.山西汾西礦業集團雙柳煤礦,山西呂梁033000;
2.福州華虹智能科技股份有限公司,福州350000)
摘 要:為查明雙柳煤礦308工作面內構造發育,以及底板含水層富水性,在局部應用無線電波透視的礦井物探技術,對礦井的構造以及水文地質變化進行探測。在已知地質條件的基礎上,對比分析物探結果,圈定異常,為煤礦的安全生產提供相應的指導。
關鍵詞:無線電波坑透;數據采集;礦井構造;水文地質
前言
    在最近完成的《中國可持續能源發展戰略》研究報告中,20多位中國科學院和工程院院士一致認為,在未來幾十年內,煤炭仍將是我國的主要能源和重要的戰略物資。專家認為到2010年,煤炭在我國一次性能源生產和消費中將占60%左右;到2050年,煤炭所占比例不會低于50%。2006年,我國原煤產量高達23.25億噸,2007年高達26億噸,煤礦能否安全生產直接影響到我國國民經濟的發展[1]。而水、頂板、瓦斯等地質災害是影響煤礦安全生產的隱患,從地質災害上都可以把它們與地質構造聯系在一起,地質構造控制安全生產,因此在地下工程中引進更多的科技日趨迫切。礦井物探技術作為井下勘探的一種補充手段,能有效地補充礦井地質勘探手段的不足。
    汾西礦業集團公司雙柳煤礦前身為柳林縣吉家塔鄉自家焉煤礦,位于三交三號井田南部。井田面積29.6073k㎡,批準開采4、5號煤層。隨著國家對煤礦安全的重視,2011年,針對雙柳煤礦的水文及地質問題,以33408T作面局部區域為研究對象,運用無線電波坑透技術,采集選定區域的數據,并對結果進行分析,為工作面的開采提供了一定的地質指導。

圖1 33408工作面無線電波坑透探測范圍示意圖
1 無線電波坑透法工作原理
    無線電波透視方法(也叫坑透法)最初是由蘇聯學者A.D彼德洛夫斯基于1929年提出的,他稱之為無線電波陰影法[2]
    無線電波透視技術是基于巖石的介電常數的差異為基礎的。交替成層的含煤地層是非均勻介質,電磁波在含煤地層中傳播可分解為垂直層理和平行層理方向,在垂直層理方向是非均勻介質,在同一煤層一定范圍內平行層理方向上可近似認為是均勻的。采面巷道通常都是布置在同一煤層中,電磁波透視是在順煤層的兩巷道或兩鉆孔中進行,因此透視時的電磁波傳播仍可利用均勻介質中的傳播公式,假設輻射源(天線軸)中點0為原點,在近似均勻、各項同性煤層中,觀測點P到0點的距離為r,P點的電磁波場強度Hp由下式表示:

    式中:H0-決定于發射功率和天線周圍煤層的初始場強;β-煤層對電磁波的吸收系數;r-P點到0點的直線距離(m);f(θ)-方向性因子,θ是偶極子軸與觀測點方向的夾角。
    在輻射條件不隨時問變化時,H0是一常數,吸收系數β是影響場強幅值的主要參數,它的值越大,場強變化就越大。吸收系數與電磁波頻率和煤層的電阻率等電性參數有直接關系:在同一均勻煤層中,頻率越高吸收系數就越大,電磁波穿透煤層距離就近;煤層電阻率越低,吸收系數也越大[3-7]
    煤層中斷裂構造的界面,構造引起的煤層破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水低電阻率帶等都能對電磁波產生折射、反射和吸收,造成電磁波能量的損耗。如果發射源發射的電磁波穿越煤層途徑中,存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區、沖刷、煤層產狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質異常體時,接收到的電磁波能量就會明顯減弱,這就會形成透視陰影(異常區)。礦井電磁波透視技術,就是根據電磁波在煤層中的傳播特性而研制的一種收、發電磁波的儀器和資料處理系統。可見,礦井電磁波透視技術在探測礦井采面和順煤層兩鉆孔之間、兩石門之間內的地質異常體及瓦斯災害區是有理論依據的,是完全可行的[8]
2 33408工作面探測成果
2.1 數據的采集
    無線電波透視觀測一般在兩巷道問進行,如在回風巷布置發射點,向煤層中發射某一頻率的電磁波,在運輸巷安置接收機觀測電磁場場強H信號,電磁波在煤層傳播中遇到介質電性變化時,電磁波被吸收或屏蔽,接收信號顯著減弱或收不到有效信號,如沿巷道多點觀測,則形成所謂的透視異常。發射點和接收點可布置在回風巷、運輸巷等易于通行和干擾小的地段。觀測方法分為同步法和定點法。同步法是發射天線和接收天線分別位于不同巷道中,同時等距離移動,逐點發射和接收。同步法發射點移動頻繁,不易做到發射機和接收機同步工作效率低,除研究一些特殊問題外,較少采用。而定點法是發射饑在一定的時間內相對同定位置,接收機在一定范圍內逐點觀測其場強值,即定點發射多點(扇形)接收。這種方法速度快、效率高,易于協調工作,是無線電波透視的主要觀測方法。

圖2 定點法“一發一收”方式示意圖
    目前無線電波透視經典參數設置即一臺發射機住巷道一個點固定發射時,接收機在對另一個巷道的相應點接收,這樣的收發式,可以稱為“一發一收”(如圖2)一般發射點距50m,接收點距10m。每一發射點,接收機可相應觀測10~12個點,接收儀器操作員一個發射點接收場強值需要行走100m,然后再退后50m。發射點距50m時,發射儀器操作員行走50m,而接收儀器操作員行走150m。這種收發方式一個T作H通常至多可以完成退尺1000m左右工作面的數據采集。
2.2 數據的處理
    數據處理是無線電波透視的核心部分,數據處理的好壞直接關系到異常解釋的準確性。數據處理包括兩個組成部分:一是數據處理前的數據校正;二是數據處理。數據校正是數據處理的基礎。數據校正應該包括校正發射點位置、接收點場強值異常和一發雙收方式數據采集兩組數據的校正。數據處理包括綜合曲線、射線分布、實測場強曲線、層析成像四部分。圖3是根據中國地質科學院地球物理地球化學助查研究所設計生產的WKT-6型儀器配套軟件解析的結果,該結果顯示了探測工作面場強異常的具體分布圖。
2.3 結果分析

圖3 33408無線電波透視結果圖
    圖3中不同的顏色代表不同的場強衰減程度,紅色表示場強衰減較小,灰色表示衰減較大,根據這個解釋原則,可將上圖的結果閣定兩個異常區,見圖中標定的四號異常區及五號異常區。
    異常區一:運巷A35點北70米到A39點北50米范圍和材巷V2l點南25米到V23點范圍內,出現了-5-20db的信號衰減,通過井下實地觀測,引起信號衰減原因可能是煤層節理裂隙發育影響所致。
    異常區二:運巷A43點北10米到A51點范圍和材巷A57點到A63點南30米范同內,出現了-5-30db的信號衰減,通過井下實地觀洲,引起信號衰減的原因可能是煤層節理、裂隙發育或切割巷已安裝好的支架干擾所致。
結論
    通過本次在汾西礦業集團雙柳煤礦33408工作面局部煤層變化范圍應用多種物探手段,對工作面內的構造、面內以及底板的富水情況,進行綜合探鋇0、分析、總結,基本查明了工作而的構造發育情況,以及面內及底板的富水情況,為礦井地質及防治水提供了一定的技術支持,在安全生產中起到了較大的作用,肯定了物探技術在雙柳礦的可行性和實用性。
參考文獻:
[l]劉向紅.本安型瞬變電磁儀及其探測技術研究[D].淮南:安徽理T大學碩士學位論文,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]寧書年,張紹紅,楊峰,等.無線電波層析成像技術在礦井坑透中的應用lJ1煤炭學報,2001.
f5]官云章,程久龍,溫興林,等.特厚煤層條件下工作面地質異常電磁波CT探測[J].山東科技大學學報:自然科學版,2002.
[6]董守華,王琦.層析成像在巷道無線電波透視法中的應用[J].中國礦業大學學報,2003.
[7]吳艷青地下電磁波探測及應用研究[D].長沙:中南大學碩士學位論文,2002.
[8]千琦.實測坑透資料的層析成像特殊處理效果[J].煤田地質與勘探,2001.
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