無(wú)線電波透視技術(shù)在探測(cè)瓦斯異常中的應(yīng)用

王洪盤(pán)

(1.河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司，河南省鄭州市，450046；2.河南省低滲突出煤層煤與瓦斯共采工程技術(shù)研究中心，河南省鄭州市，450046)

瓦斯災(zāi)害作為煤礦五大災(zāi)害之首，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)有著嚴(yán)重的威脅，如何有效預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)區(qū)已成為目前的研究重點(diǎn)。隨著近年來(lái)的快速發(fā)展，無(wú)線電波透視技術(shù)在煤礦中應(yīng)用日益廣泛，尤其是在地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)研究中應(yīng)用效果較為理想，目前無(wú)線透視技術(shù)又逐漸應(yīng)用于瓦斯預(yù)測(cè)中。河南焦煤能源有限公司演馬莊礦地質(zhì)與水文條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，因此如何有效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)區(qū)是演馬莊礦瓦斯治理工作中急需解決的問(wèn)題。

通過(guò)探測(cè)采煤工作面中的隱伏瓦斯地質(zhì)異常區(qū)域，對(duì)整個(gè)工作面的瓦斯地質(zhì)異常做整體分析評(píng)價(jià)，結(jié)合工作面的各瓦斯參數(shù)和鉆孔及驗(yàn)證情況資料，總結(jié)電磁波透視異常與瓦斯地質(zhì)異常之間的相關(guān)性，為利用電磁波透視異常預(yù)測(cè)瓦斯地質(zhì)異常提供試驗(yàn)依據(jù)和基礎(chǔ)，也能更好地科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)，確保工作面安全回采。

1 工作面地質(zhì)概況

27131下段工作面介于二七下段采區(qū)中部的27131下段回風(fēng)巷與27131下段運(yùn)輸巷之間，北部為27131回風(fēng)巷和井田邊界，南部為27131下段運(yùn)輸巷，東部為井田邊界，西部為27131回風(fēng)巷。

27131下段工作面開(kāi)采二1煤層，煤層埋深257.1～287.1 m，平均煤層厚度為4.07 m，煤層傾角7°～13°，平均傾角11°。二1煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以粉煤為主，中下部夾有塊炭，局部含有薄層夾矸及炭質(zhì)泥巖偽頂。

27131運(yùn)輸巷在斷層F147附近鉆孔測(cè)定瓦斯含量為3.18 m3/t，工作面中部接近切眼的3個(gè)鉆孔測(cè)定瓦斯含量為14.88 m3/t、16.45 m3/t和15.98 m3/t，27131下段切眼原始瓦斯含量13.27 m3/t。根據(jù)F147斷層的開(kāi)放性分析，對(duì)于F147斷層的下盤(pán)煤層來(lái)說(shuō)，在距斷層附近的煤層瓦斯大量解吸，使煤層瓦斯含量急劇下降而成為低壓區(qū)，無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。工作面中部接近切眼處，煤層瓦斯含量大于《防止煤與瓦斯突出規(guī)定》突出臨界值8 m3/t，也大于焦作礦區(qū)始突瓦斯含量13 m3/t，因而27131下段工作面存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。

27131下段工作面瓦斯含量較大，在回采之前不僅僅要布設(shè)鉆孔進(jìn)行鉆探，還要布置瓦斯抽采孔進(jìn)行工作面內(nèi)部的瓦斯抽采工作。鉆孔布置需盡量均勻，這樣對(duì)無(wú)線電波的透視工作產(chǎn)生的干擾較小。

2 無(wú)線電波透視基本原理

無(wú)線電波透視是用來(lái)探測(cè)順煤層兩煤巷、兩鉆孔或煤巷與鉆孔之間的各種地質(zhì)構(gòu)造異常體。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于不同巷道或鉆孔中，一側(cè)發(fā)射、一側(cè)接收。

煤層中斷裂構(gòu)造的界面、構(gòu)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帶等都能對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波穿越煤層過(guò)程中，存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區(qū)、沖刷帶、煤層產(chǎn)狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質(zhì)異常體時(shí)，接收到的電磁波能量就會(huì)明顯減弱，這就會(huì)形成透視陰影(異常區(qū))，如圖1所示。

井下探測(cè)方法有同步法和定點(diǎn)法兩種方式。同步法是發(fā)射天線和接收天線分別位于不同巷道中，同時(shí)等距離移動(dòng)，逐點(diǎn)發(fā)射和接收，較少采用。定點(diǎn)法是發(fā)射機(jī)相對(duì)固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點(diǎn)位置上，接收機(jī)在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)沿巷道探測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值。無(wú)線電波透視定點(diǎn)法發(fā)射與接收范圍如圖2所示。

圖1 無(wú)線電波透視原理示意圖

圖2 無(wú)線電波透視定點(diǎn)法發(fā)射與接收范圍示意圖

3 井下探測(cè)工作

3.1 探測(cè)儀器和探測(cè)頻率

本次探測(cè)工作采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研發(fā)的WKT-E型(大透距)無(wú)線電波透視儀。該儀器工作穩(wěn)定，探測(cè)范圍廣、精度高，操作方便，已經(jīng)在全國(guó)50多個(gè)大型企業(yè)推廣使用，是目前礦井物探儀器中比較成熟的一種物探設(shè)備。

3.2 探測(cè)方法

采用分辨率較高的定點(diǎn)掃描法進(jìn)行探測(cè)。定點(diǎn)法就是發(fā)射機(jī)相對(duì)固定，接收機(jī)在另一對(duì)應(yīng)巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)接收其場(chǎng)強(qiáng)值的一種工作方法。

布置測(cè)點(diǎn)前須對(duì)工作面有一定了解，如工件面的位置和平面形狀、掘進(jìn)中揭露的構(gòu)造、煤層厚薄變化、瓦斯和含水等情況。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

本次探測(cè)接收測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為5 m，發(fā)射點(diǎn)間距設(shè)定為50 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)21個(gè)接收測(cè)點(diǎn)。

27131下段工作面透視工作在27131下段運(yùn)輸巷和27131下段回風(fēng)巷之間進(jìn)行，共布置171個(gè)接收測(cè)點(diǎn)，16個(gè)發(fā)射點(diǎn)。其中，27131下段運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為0～74；27131下段回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為0～95，如圖3所示。點(diǎn)號(hào)由巷道開(kāi)端標(biāo)記。

圖3 27131下段工作面現(xiàn)場(chǎng)施工布置及射線分布圖

3.4 探測(cè)條件及實(shí)際探測(cè)

探測(cè)時(shí)回采工作面停電，對(duì)管路、電纜、鐵軌、開(kāi)關(guān)、刮板車(chē)等金屬導(dǎo)體未作任何處理。

27131下段工作面實(shí)際探測(cè)情況：完成1.5 MHz和0.5 MHz兩個(gè)頻率探測(cè)，工作耗時(shí)4 h；完成了0.3 MHz頻率探測(cè)，工作進(jìn)行2 h。每個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射時(shí)間為3 min，接收時(shí)間為3 min，換發(fā)射點(diǎn)時(shí)間為2 min，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)工作循環(huán)為5 min，其中27131下段運(yùn)輸巷0號(hào)由于對(duì)應(yīng)接收點(diǎn)較多，所以發(fā)射時(shí)間為5 min。

4 探測(cè)結(jié)果分析

4.1 電磁波探測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)

本次探測(cè)儀器工作穩(wěn)定，接收數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、較完整，探測(cè)數(shù)據(jù)大于背景場(chǎng)強(qiáng)(小于10 dB)10 dB以上，如表1所示。工作面內(nèi)部鉆孔分布均勻，影響相對(duì)較小，巷道局部存在金屬體干擾，對(duì)探測(cè)結(jié)果有影響，但是影響較小，進(jìn)行了數(shù)據(jù)保留。

表1 27131下段采集數(shù)據(jù)概況

4.2 探測(cè)成果

從本次探測(cè)工作可以看出1.5 MHz、0.5 MHz和0.3 MHz 3個(gè)頻率的無(wú)線電波透視對(duì)27131下段采煤工作面的異常區(qū)域有較好的反映，為不漏掉異常，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，把場(chǎng)強(qiáng)衰減異常取為-5 dB，圈定3處較為集中的異常區(qū)，分別編號(hào)為一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)異常區(qū)，如圖4所示。

(1)一號(hào)異常區(qū)。27131下段回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)65～95號(hào)(切眼附近150 m范圍內(nèi))，27131下段運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)40～74號(hào)之間(切眼附近170 m范圍內(nèi))，該異常對(duì)于周?chē)簩佣允撬p較大的區(qū)域。該區(qū)域與27151采煤工作面的一號(hào)異常區(qū)具有一定的相似性，結(jié)合27151工作面一號(hào)異常區(qū)的分析與該工作面的地質(zhì)資料，可知自停采線至切眼方向，瓦斯富集條件逐漸變好，瓦斯地質(zhì)異常區(qū)逐漸發(fā)育。因此，初步推斷分析該處異常可能主要為煤層厚度與瓦斯?jié)舛裙餐兓鸬碾姶挪ㄋp異常，即是瓦斯地質(zhì)異常引起的無(wú)線電波異常。同時(shí)，在3個(gè)頻率的物探成果CT圖中均可發(fā)現(xiàn)中間存在區(qū)域A電磁波衰減較為嚴(yán)重，因此分析該處應(yīng)該存在其他地質(zhì)異常，根據(jù)地質(zhì)資料分析可知，該處可能為煤巖夾矸薄煤層分布區(qū)，具體區(qū)域?yàn)?7131下段回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)77～88號(hào)(距切眼35～90 m范圍內(nèi))，27131下段運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)50～61號(hào)之間(距切眼65～120 m范圍內(nèi))。

(2)二號(hào)異常區(qū)。1.5 MHz頻率的響應(yīng)比較明顯，而其他兩個(gè)頻段無(wú)明顯響應(yīng)。其區(qū)域?yàn)?7131下段回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)42～44號(hào)(離探測(cè)開(kāi)端處210～220 m，即離巷道的拐點(diǎn)處210～220 m范圍內(nèi))，27131下段運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)20～22號(hào)之間(離探測(cè)開(kāi)端處100～110 m，即離巷道的拐點(diǎn)處100～110 m范圍內(nèi))，該異常場(chǎng)強(qiáng)衰減最大達(dá)到-10 dB。該區(qū)域與27151采煤工作面的二號(hào)異常區(qū)具有一定的相似性，結(jié)合巷道掘進(jìn)過(guò)程中的地質(zhì)資料，分析推斷可能是地層負(fù)壓引起的物探微弱異常區(qū)。

(3)三號(hào)異常區(qū)。1.5 MHz和0.5 MHz兩頻率都具有一定響應(yīng)，區(qū)域分布在27131下段回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)0～26號(hào)(探測(cè)開(kāi)端處130 m左右，即離巷道的拐點(diǎn)處130 m)，27131下段運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)0～1號(hào)之間(探測(cè)開(kāi)端處5 m左右，即離巷道的拐點(diǎn)處5 m范圍內(nèi))。一方面，煤層厚度保持在5～6 m，而瓦斯含量為3～4 m3/t，相對(duì)較低，因此不可能是煤層變化和瓦斯含量所造成；另一方面該處緊鄰F147大斷層，可能是其影響引起的場(chǎng)強(qiáng)衰減異常，但是大斷層并未從該區(qū)域延伸，因此相對(duì)于27151工作面的衰減區(qū)域稍?。煌瑫r(shí)，由于發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的偏移較大，也不排除因此而造成異常，并具有一定的條帶性。

圖4 27131下段工作面不同頻率下無(wú)線電波透視探測(cè)CT圖

綜合分析3個(gè)頻率的異常，3個(gè)頻率識(shí)別效果總體一致，但在很多細(xì)節(jié)上具有一定的差異。對(duì)于附近的F147大斷層和中部異常的響應(yīng)，三者效果迥異，從1.5 MHz的高頻到0.3 MHz的低頻，識(shí)別效果越來(lái)越弱。由于高頻無(wú)線電波波長(zhǎng)相對(duì)較短、分辨率比較高，具有比較理想的識(shí)別能力，因而電磁波異常響應(yīng)比較理想，而低頻電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)、分辨率較差，對(duì)于該區(qū)域的響應(yīng)并不理想，此外不排除由于發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)偏移較大的原因造成的干擾。對(duì)于切眼附近的異常區(qū)域，三者也均可很好的識(shí)別，尤其是高頻的1.5 MHz由于波長(zhǎng)短、分辨率高，電磁波響應(yīng)更為理想，這依舊能夠說(shuō)明高頻的識(shí)別分辨能力相對(duì)較好一些。

4.3 瓦斯地質(zhì)異常探測(cè)

通過(guò)3個(gè)不同頻段的無(wú)線電波透視工作可見(jiàn)，在切眼附近無(wú)線電波存在一定程度的衰減，形成電磁波衰減異常區(qū)，該區(qū)域無(wú)斷層揭露，煤層厚度變薄、瓦斯?jié)舛茸冃。梢?jiàn)電磁波信號(hào)對(duì)于瓦斯地質(zhì)異常區(qū)具有一定的響應(yīng)。瓦斯富集條件自停采線處到切眼越來(lái)越好，瓦斯地質(zhì)條件逐漸復(fù)雜，濃度逐漸變高，電磁波也呈現(xiàn)出衰減越來(lái)越強(qiáng)的趨勢(shì)，因此無(wú)線電波透視異常與瓦斯地質(zhì)異常兩者間具有明顯的正相關(guān)性。同時(shí)，根據(jù)3個(gè)頻率的不同響應(yīng)，可知0.5 MHz頻率的分辨率要優(yōu)于0.3 MHz的，而1.5 MHz的效果要優(yōu)于0.5 MHz的，即高頻信息對(duì)于瓦斯地質(zhì)異常具有更好的分辨能力，但也更易受外界人文環(huán)境影響干擾。

5 回采驗(yàn)證及應(yīng)用情況

截至目前，演馬莊礦已經(jīng)回采完27131下段工作面，根據(jù)回采情況，可知工作面的探測(cè)分析結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況的一致性。

(1)一號(hào)異常區(qū)。采前分析該處為瓦斯地質(zhì)異常區(qū)，并且考慮煤層變薄、存在強(qiáng)衰減區(qū)，推斷強(qiáng)衰減區(qū)為煤巖夾矸區(qū)域。在回采過(guò)程中，該處煤層的瓦斯?jié)舛容^大，同時(shí)煤層變薄、在衰減較強(qiáng)區(qū)域存在煤巖夾矸現(xiàn)象，瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜、異常，與采前的分析結(jié)果一致。

(2)二號(hào)異常區(qū)。采前分析該處可能是地層負(fù)壓引起的物探微弱異常區(qū)。在回采過(guò)程中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的地質(zhì)異常，考慮可能是在回采過(guò)程中煤層負(fù)壓逐漸釋放的因素。

(3)三號(hào)異常區(qū)。該處異常區(qū)并未回采，工作面停采線在該區(qū)域右側(cè)，但F147大斷層的影響較為明顯，可以明確是斷層結(jié)構(gòu)引起的物探異常。

6 小結(jié)

(1)使用WKT-E型無(wú)線電波透視儀，利用定點(diǎn)掃描無(wú)線電波透視法，采用1.5 MHZ、0.5 MHz和0.3 MHz 3個(gè)頻率完成了27131下段工作面的無(wú)線電波透視工作，能夠有效探測(cè)識(shí)別采煤工作面內(nèi)的已知的斷層等地質(zhì)異常帶和瓦斯富集異常區(qū)等隱伏地質(zhì)異常。

(2)共探測(cè)出3處異常區(qū)。27131下段采煤工作面一號(hào)異常區(qū)可能是瓦斯地質(zhì)異常區(qū)，其中中間衰減較強(qiáng)的區(qū)域可能為煤巖夾矸薄煤層；二號(hào)異常區(qū)可能是地層負(fù)壓引起的物探微弱異常區(qū)域；三號(hào)異常區(qū)應(yīng)該是受附近F147大斷層影響的異常區(qū)。27131下段工作面經(jīng)過(guò)回采都得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證，與采前的分析結(jié)論基本一致。

(3)無(wú)線電波透視工作的3個(gè)頻率識(shí)別效果有所差異，1.5 MHz分辨率較高，0.5 MHz其次，0.3 MHz分辨率較低。雖然高頻的透射能力相對(duì)較弱，易受干擾，但依舊能夠穿透本次探測(cè)的3個(gè)工作面，因此高頻的1.5 MHz是本次探測(cè)的首選頻段。

(4)電磁波異常區(qū)域反應(yīng)的斷層異常和瓦斯地質(zhì)異常嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。由于演馬莊煤礦井田地質(zhì)構(gòu)造情況十分復(fù)雜，建議對(duì)異常區(qū)域打鉆驗(yàn)證，同時(shí)做好安全防范工作，保障礦井安全生產(chǎn)。同時(shí)，加強(qiáng)瓦斯地質(zhì)觀察，采取必要的安全保障措施，保證煤礦安全生產(chǎn)。