高煤公司3上1112 工作面正逆斷層射電輻射探測研究

崔 巖 李鳳申 馬 坡

（高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272195）

1 工程概況

高莊煤礦井田面積32 km2，地質(zhì)儲量2.8 億t，可采儲量1.3 億t，主采山西組3上煤層、3下煤層。3上1112 工作面巷道全長約1200～1300 m，前半部分處于F14、FD4 兩個斷層的“包夾”之中，且內(nèi)部存在不少中小斷層，從前到后分別有F14-3、FD4、FD3（正、逆）、FD16、f91 等較大的斷層“伸入”煤層之內(nèi)，地質(zhì)情況復(fù)雜。

本文對高莊煤礦3上1112 工作面FD4、FD3 正逆斷層進行射電輻射探測[1-2]，進一步確定煤巖層內(nèi)部FD4、FD3 正逆斷層等寬度≦10～20 m 小斷層的存在、寬度及其走向，對于高產(chǎn)高效安全開采意義重大。

2礦用射電水探測儀及工作原理

本次試驗采用江蘇康迪射電科技公司生產(chǎn)的YST13.2 礦用射電水探測儀，設(shè)備由雙通道射電輻射計（調(diào)制+全功率）以及兩組雙天線（平板天線組+棒狀天線組）構(gòu)成。

工作原理：設(shè)備中的射電輻射計和天線通過接收來自礦、巖和水因其不同的發(fā)射率σ、暫態(tài)溫度t、導(dǎo)電率ρ、介電常數(shù)ε而產(chǎn)生的不同的射電輻射，測出礦、巖和水不同的輻射強度，再通過對射電輻射計的定標(biāo)，可以5°和幾米的誤差探測出煤巖層中的含水區(qū)位置及其水量多少用以判定煤巖層中不同部位地下水豐度等；也可以借助其高定向天線探測斷層兩邊不同的輻射強度來確定斷層的形態(tài)、正逆和地質(zhì)構(gòu)成。

3 實踐應(yīng)用分析

3.1 斷層簡況

FD4 斷層：H=0～16 m，α＜40°～67°；上巷道露頭H=10 m，β＜50°～65°，實測約+51°；下巷道露頭H=12 m，γ＜50°，實測約+36°；由高差-639.5 m-（-589.9） m=-49.6 m 及實測斷層長度約325.7 m，求出δ=-8.8°。

FD3 正斷層：H=0～18 m，α＜35°～70°；實測約α=+47°，由高差-606 m-（-592.3）m=-13.7 m 及實測斷層長度約129 m，求出傾角β1=-6.1°。

FD3 逆斷層：H=0～6 m，α＜58°；實測約α=+70°；由高差-597 m-（-593.9） m=-3.1 m 及實測斷層長度約133 m，求出傾角β2=-1.3°。

3.2 斷層射電輻射探測流程

3.2.1 FD4 斷層

儀器架設(shè)地點為A、B、C、D、E 共5 點，5點均在巷道中心線位置點，平板天線三角支架垂直于地面。

定位基點A 在11 號點前24 m，巷道中心位置；平板天線俯仰方位角固定在-7.5°；旋轉(zhuǎn)平板天線，水平方位角+45°→+65°，每隔5°測量-M-P；共10 個數(shù)據(jù)。

定位基點B 在11 號點后36 m，巷道中心位置； 由高差-639.5 m-（-592.7） m=-46.8 m 及圖上實測B 到FD4 斷層上露頭長度約289 m 可求出β=-9.3°；平板天線俯仰方位角分別固定在-5°、-7.5°、-10°三個角度上，旋轉(zhuǎn)平板天線使其水平方位角-40°→+40°，每隔20°測量M-P；共30個數(shù)據(jù)。

3.2.2 FD3 正斷層

定位基點C 距9 號點前5 m，巷道中心位置；C 點對應(yīng)FD3 正斷層上巷道露頭長徑方向；平板天線俯仰方位角固定在-5°，旋轉(zhuǎn)平板天線，水平方位角+45°、+50°、+60°、+70°，各自測量M-P；共8 個數(shù)據(jù)。

3.2.3 FD3 逆斷層

定位基點D 距9 號點前25 m，巷道中心位置；D 點對應(yīng)FD3 逆斷層上巷道未露頭長徑方向；平板天線俯仰方位角固定在-2.5°，旋轉(zhuǎn)平板天線，水平方位角+50°→+70°，每隔10°測量-M-P；共6 個數(shù)據(jù)。

3.2.4 FD3 正斷層及FD3 逆斷層

定位基點E 距9 號點后30 m，巷道中心位置。平板天線俯仰方位角固定在-5°，旋轉(zhuǎn)平板天線，水平方位角-70°→+70°，每隔10°測量M-P；共30 個數(shù)據(jù)。平板天線水平方位角固定在0°，旋轉(zhuǎn)平板天線，俯仰方位角0°→-40°，每隔10°測量M-P；共10 個數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.3.1 徑向射電輻射探測分析

（1） FD4 斷層上巷露頭徑向射電輻射探測分析

從AutoCAD圖示FD4斷層上巷道露頭H=10 m，β＜50°～65°，圖上實測β≈+51°；由高差及圖上實測斷層長度求出上下巷露頭傾角δ=-8.8°；FD4 斷層上巷道露頭徑向射電輻射探測結(jié)果是傾角δ=-7.5°時，其徑向射電輻射強度最小值出現(xiàn)在水平+50°，Pm=0.067，Pp=0.011，與AutoCAD 圖上實測β≈+51°兩者高度吻合，僅相差1°。

FD4 斷層上巷露頭徑向射電輻射強度最大值出現(xiàn)在水平+45°（δ=-7.5°）、Pm=0.541，F(xiàn)D4 斷層上巷露頭橫向射電輻射強度最大值出現(xiàn)在水平0°（δ=-7.5°）、Pm=0.367；兩者在AutoCAD 圖上交點處應(yīng)為煤層，但圖上示為FD4 斷層，表明FD4斷層上巷露頭處的內(nèi)部走向并非AutoCAD 圖示的直線。

（2）FD3 正斷層上巷露頭及FD3 逆斷層上巷非露頭徑向射電輻射探測分析

AutoCAD 圖示FD3 正斷層上巷露頭H=0～18 m，α＜35°～70°，圖上實測α≈+47°，由高差及圖上實測斷層長度可求出傾角β1=-6.1°。

FD3 正斷層上巷露頭徑向射電輻射探測結(jié)果是傾角δ=-5°時，其徑向射電輻射強度最小值出現(xiàn)在水平α=+50°，Pp=0.397，與AutoCAD 圖上實測α≈+47°兩者相當(dāng)吻合，誤差為3°。

AutoCAD 圖示FD3 逆斷層上巷非露頭H=0～6 m，α＜58°，圖上實測約α=+70°；由高差及圖上實測斷層長度可求出傾角β2=-1.3°。

FD3 逆斷層上巷非露頭徑向射電輻射探測結(jié)果是傾角δ=-2.5°時，其徑向射電輻射強度最小值出現(xiàn)在水平α=+70°，Pp=0.308，與AutoCAD 圖上實測α=+70°兩者完全吻合，無誤差。

FD3 正斷層和逆斷層的徑向射電輻射強度的平均值，全功率和調(diào)制測量有非常大的差異。

全功率平均值為P正=0.467，P逆=0.437，兩者僅差9%；調(diào)制平均值為P正=0.185，P逆=0.041，兩者相差4.5 倍。

這表明逆斷層的地質(zhì)構(gòu)造在斷層處將巖層高度擠壓粉碎，而上下煤層垂直高度上有混迭，調(diào)制用平板天線其天線方向性類似針型，故其徑向測到的逆斷層區(qū)域是巖層，其發(fā)射率較低，故調(diào)制輻射值偏低；而正斷層特別是較小型斷層，煤層和巖層的節(jié)理涇渭分明，全功率用鐵氧體其天線方向性類似球型，故其徑向測到的正或逆斷層區(qū)域是包含了煤層和巖層，其綜合發(fā)射率相近，故全功率輻射值兩者相近。

3.3.2 橫向射電輻射探測分析

（1）FD4 斷層上巷橫向射電輻射探測分析

從數(shù)據(jù)圖1 可知，1a-7.5°仰角、+45°方位角、PM=0.541max 與2b-7.5°仰角、0°方位角、PM=0.367max 交點A 應(yīng)為煤，圖示在FD4 斷層外邊緣，極準(zhǔn)。

圖1 FD4 斷層射電輻射探測測試數(shù)據(jù)曲線

1a-7.5°仰角、+50°方位角、PM=0.067min 與2b-7.5°仰角、-20°方位角、PM=0.046min 交點B應(yīng)為斷層中的巖層，圖示在FD4 斷層正中間，可見吻合得非常好。

1a-7.5°仰角、+60°方位角、PP=0.492max 與2b-7.5°仰角、P-40°方位角、PP=0.492max 交點C應(yīng)為煤，圖示在FD4 斷層外邊緣，極準(zhǔn)。

（2） FD3 正逆斷層上巷橫向射電輻射探測分析

從數(shù)據(jù)圖2 可知，6c-5°仰角、+50°方位角、PP=0.397min 與7e-5 ° 仰角、0 ° 方位角、PM=0.429min 交點D 應(yīng)為斷層中的巖層，但在Auto CAD 圖上并不在FD3 正斷層的正中間，這表示要么是6c 定位點定得不準(zhǔn)，要么是FD3 正斷層上巷內(nèi)部走向并不是圖上實測α ≈+47°而是55°。

圖2 FD3 正逆斷層射電輻射探測測試數(shù)據(jù)曲線

5d-2.5°仰角、+70°方位角、PP=0.306min 與Auto CAD 圖上表示的FD3 逆斷層上巷內(nèi)部走向高度一致。

7e-5°仰角、-70°～ +70°方位角每隔10°測一個讀數(shù)的全功率曲線，表現(xiàn)為4 個峰值1.273 max（-70°）、1.159（-20°）、1.151（+30°）、1.196（+60°）和3 個谷值0.429 min（0°）、0.606（-50°）、0.856（+50°）。而且4 個峰值的數(shù)值相差不大（≤10%），預(yù)示著在7e 的右方可能除FD3 正斷層上巷、FD3 逆斷層上巷之外還有第三個斷層存在的可能性，當(dāng)然也可能是FD3 斷層附近的探巷造成的影響。

4 結(jié)論

高莊煤礦3上1112 工作面FD4、FD3 正逆斷層經(jīng)射電輻射的探測實踐證明了可以通過測出斷層及斷層兩側(cè)不同的射電輻射（強度和方位），來確定斷層的存在、寬度、走向及地質(zhì)特征。當(dāng)前盡管只能通過對已知寬度、角度的斷層的巷道露頭進行定向射電輻射探測，但仍然具有較好的實踐應(yīng)用價值。