无线电波透视和音频电透视法在杭来湾煤矿地质探查中的应用
时间：2023-03-10 14:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
李治龙
(陕西有色榆林煤业有限公司,陕西 榆林 719000)
30202回采工作面位于杭来湾煤矿302盘区,所采煤层为3号煤层。物探测量范围为30202工作面从切眼到主回撤通道段,探测工作面走向长度为5 718 m,倾向长度为300 m。本次探测在30202工作面两顺槽进行,采用无线电波透视及音频电透视法,探查30202工作面内部以及顶板以上100 m范围内含水层富水性、隐伏构造及导含水构造裂隙发育情况；
结合以往水文物探工作成果对工作面顶板富水性进行评价,为30202工作面安全回采提供物探依据。为此,选用无线电波透视法，查明30202工作面内部隐伏构造及导含水构造裂隙发育情况；
选用音频电透视法，查明顶板上100 m范围内地层导、含水性情况。具体地质任务是:查明30202回采工作面走向长度为5 718 m,内部隐伏构造、导含水构造裂隙发育情况；
查明30202工作面岩石中富水化异常带的分布程度和相对强弱,并根据以往水文、物探结果，对作业面顶板砂岩裂隙水导、含水性等进行判断。
槽波地震勘探[1]主要用于井下掘进迎头及工作面内断层等构造地质异常体的探测,其具有激发能力强、探测精度高等优点，广泛应用于井下地质构造的探测。该方法一般使用火工品作为激发震源进行人工地震激发与接收,有效探测深度不小于500 m,但是该方法采用火工品进行井下施工作业时具有一定的安全风险,且火工品采购手续批复难度也较大。另一种用于地质构造异常体探测的是无线电波坑透法,该方法通过选择不同的电磁波收发频率,达到不同的探测深度,有效探测深度可达350 m。该方法具有施工效率高、设备轻便、安全风险低等优点,其原理如图1所示。结合本矿井以往物探成果,采用无线电波坑透法进行构造类异常探测是行之有效的方法。因此,本次工作面物探勘探采用无线电波透视法，对内部隐伏构造及导含水构造裂隙发育情况进行探查。
由于矿井高分辨电测深技术需要将电极布设在巷道顶板上,仅可以获得两个顺槽顶板上一定深度范围内的电性剖面,对工作面内顶板上地层电性的探测能力很有限,往往借助空间数据的数理插值进行异常识别；
此外，该方法需要前期进行打浅钻孔,工程量大且时间长。矿井瞬变电磁法在井下的探测深度一般约为100 m,对于300 m宽的工作面,面内探测存在较大的探测盲区。
音频电透视法地下空间所接收到的电信号为全空间场的反映,为两个二维平面半空间地电信息的综合反映,在井下实际探测应用中,采取相应的措施可有效凸显探测方向信号的目的。该方法电场传播受井巷表面金属导体等的影响较小,在相似地质条件下处理计算的视电导率具有可比性。因此,在工作面顶板水探测中,将发射电极和接收电极匝在巷道侧帮靠近顶板处,以下部煤层为高阻“屏蔽”层,可有效减弱底板地质体对观测信号的影响,从而达到探测目的。本文根据周边矿区顶板物探应用效果并结合煤矿实际情况[2-5]进行分析。
图1 无线电波透视探测原理示意图
2.1 无线电波透视仪
本次勘探使用YDT-88型矿用无线电波透视仪。该仪器为矿用本质安全型,有4个频点(88，158，365，965 kHz)可供选用,针对本次工作面情况采用88 kHz进行施测[6]。
2.2 音频电透视仪
本次音频电透视探测工作使用的仪器为YBT-32型防爆音频电透视仪,由福州华虹智能科技开发有限公司开发。该仪器由供电机、接收机两个箱体组成。供电机以一定频率向地层中发射电信号,本次勘探使用16,64,128 Hz共三个频率,90 V供电源进行探测;接收机在一定区域接收等频信号[7-8]。其主要特点:发射、接收频率为8，16，32，64，128 Hz;接收机采用8个通道实时并行接收,大大提高了探测效率。系统提供单频发射、接收,多个频率顺序发射、接收,混频发射、接收。混频发射将多个频率进行混合,同时发射,YBT32接收机可同时对混频中不同频率进行解编;发射机提供功率为30 V/180 mA、45 V/120 mA、90 V/50 mA,发射时仪器根据地质情况自动选择最佳的发射电压;采用特殊数字信号处理手段,对低至几个微伏的微弱信号进行有效提取;仪器对50 Hz的工频信号抑制能力达到120 dB以上,如图2所示。
图2 工作面音频电透视法示意图
3.1 处理流程
资料处理流程如图3所示。无线电波透视观测数据的处理一般包含:新建工程、原始数据导入、数据预处理、观测系统建立、反演成像、数据导出、其他辅助工具进行成图等部分[9],如图4所示。
图3 资料处理流程图
图4 无线电波透视资料处理流程图
新建工程及原始数据导入,该功能下可根据实际探测情况进行原始数据的录入,观测系统建立后可查看观测数据,支持综合曲线图、实测场强曲线图等的预览等。此外软件支持吸收系数反演并可导出数据。
3.2 矿井音频电透视资料处理
音频电透视观测数据的处理一般包含：新建工程、原始数据导入、数据预处理、观测系统建立、反演成像、数据导出、其他辅助工具进行成图等部分[10-11]。
3) TaskService：提供对用户Task和Form的相关操作及运行时任务查询、领取、完成、删除和变量设置等功能。
新建工程及原始数据导入:利用YBT32仪器配套软件工程新建后,进行数据导入,按流程分别读取工作面探测发射巷数据和接收巷数据。
观测系统建立:新建工程和观测数据导入后,经必要的数据检查和预处理后开始建立观测系统。
反演计算成像:该命令可进行工作面探测数据的CT成像反演计算,计算出对应频率观测视电导率等值线平面图。
按照前述资料处理和解释原则,分别对无线电波透视探测资料和音频电透视探测资料进行资料处理,可形成相对应的实测场强等值线平面图、吸收系数等值线平面图和音频电透视异常平面图。[12-13]
4.1 无线电波透视成果及分析
KC1异常横向位于距切眼900～1 050 m(90#-105#点)范围,近贯穿工作面分布,实测场强小于30 dB,异常吸收系数大于0.006,推断该异常为煤层发育的裂隙或破碎松软的反映;KC2异常横向位于距切眼2 440～2 620 m(244#-262#点)范围,近贯穿工作面分布,异常主要分布于30202胶运顺槽侧,实测场强小于30 dB,异常吸收系数大于0.006,推断该异常为煤层发育的裂隙或破碎松软的反映;KC3异常横向位于距切眼2 950～3 090 m(295#-309#点)范围,近贯穿工作面分布,异常主要分布于30202胶运顺槽侧,实测场强小于30 dB,异常吸收系数大于0.006,推断该异常为煤层发育的裂隙或破碎松软的反映,如表1所示。
表1 无线电波透视异常情况表
综上分析,本次工作面坑透探测圈定3处较明显异常区,三处异常范围均较大,但强度较低,反映了异常区分布范围内可能存在较明显的煤层介质变化特征,结合顺槽掘进地质资料推测该处为煤层破碎程度高或松软的反映。本次探测工作面内无明显断层及隐伏构造,由于探测工作面为厚煤层,无线电波透视法对冲刷厚度较小的冲刷带及变化范围有限的煤层厚度变化反映不明显,未做进一步推断,如图5所示。
图5 30202工作面无线电波透视异常平面图
4.2 音频电透视探测成果及分析
结合已有掘进、钻探等地质资料,对工作面底板不同频率视电导率等值线平面图进行分析解释。以工作面进风巷停采线位置为坐标原点,建立直角坐标系,异常位置的描述依此坐标系统进行[14](如图6所示)。
图6 30202工作面顶板100 m范围音频电透视探测视电导率异常空间效果图
顶板128 Hz工作频率探测视电导率异常成果图,共圈定4处高视电导率异常(编号为YC2、YC3、YC4和YC5)。YC2异常位于30201辅运顺槽边部,距切眼约4 900～5 250 m(490#-525#点)段,向工作面内延伸约110 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低;YC3异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约920～1 420 m(92#-142#点)段,向工作面内延伸约97 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低;YC4异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约1 970～2 350 m(197#-235#点)段,向工作面内延伸约148 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低;YC5异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约3 450～3 830 m(345#-383#点)段,向工作面内延伸约137 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低。
4.2.230202工作面64 Hz工作频率探测视电导率异常平面图分析
顶板64 Hz工作频率探测视电导率异常成果图,共圈定4处高视电导率异常(编号为YC1、YC3、YC4和YC5)。YC1异常位于30201辅运顺槽边部,距切眼约4 210～4 360 m(421#-436#点)段,向工作面内延伸约85 m,呈片状分布,异常范围较小,强度较低;YC3异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约1 060～1 330 m(106#-133#点)段,向工作面内延伸约62 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低;YC4异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约1 980～2 130 m(198#-213#点)段,向工作面内延伸约55 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低;YC5异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约3 370～3 720 m(337#～372#点)段,向工作面内延伸约75 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低。
4.2.330202工作面16 Hz工作频率探测视电导率异常平面图分析
顶板16 Hz工作频率探测视电导率异常成果图,共圈定3处高视电导率异常(编号为YC1、YC4和YC5)。YC1异常位于30201辅运顺槽边部,距切眼约4 200～4 320 m(420#-432#点)段,向工作面内延伸约106 m,呈片状分布,异常范围较小,强度较低;YC4异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约1 870～2 200 m(187#-220#点)段,向工作面内延伸约97 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低;YC5异常位于30202胶运顺槽边部,距切眼约3 640～3 830 m(364#～383#点)段,向工作面内延伸约78 m,呈片状分布,异常范围较大,强度较低。
纵向比较上述5个异常,YC1异常在顶板70～100 m段有显示,异常范围和强度变化不大,到顶板上40 m层附近未再显示;YC2异常仅在顶板上40 m层段附近有显示,异常范围较大,强度较低;YC3异常在顶板上40～70 m附近有显示,异常范围较大,强度较小;YC4和YC5异常在顶板40～100 m段均有显示,往下部异常范围和强度变大,如图6所示。
4.3 工作面异常区综合地质解释
根据前文所述无线电波透视探测资料,结合已有地质资料分析，对本次勘探圈定的工作面内异常区域进行综合地质解释如下。
1)KC1异常区:位于30202工作面,近贯穿工作面分布,距切眼约900～1 050 m段,结合顺槽掘进地质资料及现状分析认为，可能为工作面内局部煤层介质松软或相对较破碎的反映。
2)KC2异常区:位于30202工作面,近贯穿工作面分布,距切眼约2 440～ 620 m段,结合顺槽掘进地质资料及现状分析认为，可能为工作面内局部煤层介质松软或相对较破碎的反映。
3)KC3异常区:位于30202工作面,近贯穿工作面分布,距切眼约2 950～3 090 m段,结合顺槽掘进地质资料及现状分析认为，可能为工作面内局部煤层介质松软或相对较破碎的反映。
音频电透视法圈定异常5处,对比两种物探方法探测异常成果可以看出,无线电波透视异常与音频电透视法异常没有明显联系,表明无线电波透视异常的区域没有明显的导含水。
1)30202工作面通过无线电波透视探测得到实测场强图和吸收系数CT成像图,共圈定异常区3处,编号分别为KC1、KC2和KC3。KC1异常位于工作面距切眼约900～1 050 m处,近贯穿工作面分布,异常范围较小,强度较弱;KC2异常位于工作面距切眼约2 440～2 620 m处,近贯穿工作面分布,异常范围较小,强度较弱;KC3异常位于工作面距切眼约2 950～3 090 m处,近贯穿工作面分布,异常范围较小,强度较弱。结合已有地质资料分析，异常可能为局部煤层松软或裂隙发育程度较高的反映。本次无线电波透视法未圈定出断层等隐伏地质构造;工作面所在3#煤为厚煤层,煤层存在一定的厚度变化特征,本次利用无线电波透视法很难反映出局部的煤层厚度变化情况,对于裂隙集中发育区等仍有一定的反映能力。
2)30202工作面通过音频电透视法探测得到工作面内不同层段视电导率等值线平面图,根据异常特征结合探测层段水文地质条件进行综合分析,共圈定异常5处,分别编号为YC1、YC2、YC3、YC4和YC5。本次探测工作未圈定出明显的导含水构造,仅在煤层顶板圈定5处相对赋水区,分析其为砂岩裂隙局部含水较多的反映,其中YC4和YC5异常在垂向上延伸特征明显,但根据异常范和强度分析,其富水性弱。
3)无线电波透视和音频电透视探测在探查煤矿地质构造和顶板上100 m范围内含水层富水性具有很强的操作性,通过回采过程实际对照验证,准确度较高,值得在煤矿地质预测预报中推广使用。
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