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大接收面坑透方法的工程實踐報告
新聞作者:技術中心 谷偉  發布時間:2019-02-15  查看次數:  放大 縮小 默認
一、研究任務
    無線電波透視(簡稱坑透)電磁波在地下煤巖層中傳播時,煤巖介質電阻率和介電常數的不同對電磁波能量的吸收不同,低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用。高頻電磁波傳播方向上遇到構造界面時,在界面上將產生反射和折射,造成能量損耗,致使接收巷道中接收不到或僅接收到部分電磁波透射信號,形成透射異常。通過對透射異常的對比分析、反演成像等處理,可以確定無線電波透視異常區。目前常采用定點法施工方法,發射機在一巷定點發射電磁波,接收機在對巷對應位置前后各50m范圍內接收實測場強。

圖1 常用無線電波坑道透視定點法發射與接收范圍示意圖

    在以前坑透設備性能不強的情況下,單站接收距離比較短。單個測點能接收到的有效發射信號次數較少,數據疊加覆蓋次數較低,造成坑透成果沿工作面走向探測分辨率相對較高,垂直于工作面走向探測分辨率較差的問題。此外,數據疊加次數較小,在實測中一旦混入干擾數據,缺乏其他數據對干擾數據的檢驗,干擾數據會最終體現到物探成果中,對探測結果影響較大。隨著坑透儀器性能的提升,已經具備了延長同站觀測長度,增加數據疊加次數的能力。在此特別設計完成如下探測實驗,以檢驗使用效果。
本次井下探測(觀測)方法為定點法,發射機相對固定于巷道事先確定好的發射點位置上,接收機在相鄰巷道200m范圍內逐點沿巷道觀測場強值。發射點距50m,接收點距10m。對應每一發射點,接收機相應觀測21個點。在這種觀測系統下,每一個接收點的接收4個來自不同方向的實測數據,而在以往的觀測系統下,一個接收點只接受2個不同方向的實測數據。此次工程測試的目的在:1、判斷延長接收距離后實測數據質量是否可靠;2、數據一致性檢驗;3、縱向數據分辨率提升分析。
二、概況
    150202工作面總體處于單斜構造區域中,總體高差變化不大,但是局部巷道起伏變化較多,運輸順槽自停采線向里0-310m鋪設鋼軌,回風順槽自停采線向里0-480m鋪設鋼軌;仫L順槽靠工作面一側及頂板方向有多處淋水,兩巷內多處頂板冒落,最大冒落高度可達3m。受區域F2斷層延伸影響,靠近切眼一段摺曲發育,并伴生多處小型斷層。
1、工作面情況

2、煤層情況

    15#煤層結構較簡單,均厚4.8米,整體工作面15#煤厚變化不大,15#上均厚1.6米。15#與15#上煤層之間夾矸以碳質泥巖為主,均厚2.2米。K2石灰巖與15#煤層之間隔層均厚9米。
3、頂底板情況

4、煤質情況

5、地質構造情況
    150202工作面中部有一不對稱向斜構造發育西北翼傾角-4°至-8°。東北翼部傾角較緩。150 202運輸順槽Y11點至Y12點之間15#煤層出現分叉,主分層進入底板方向發育,次分層逐漸殲滅,伴隨15#煤層與15#上煤層間泥巖逐漸變厚。
6、水文地質情況
    15#煤層的充水水源主要為上部砂巖及K2、K3、K4三層灰巖水。工作面回采后形成采空區,頂板巖層跨落、下沉,產生裂隙,形成裂隙帶,構成導水通道,上部砂巖及K2、K3、K4灰巖含水層水通過上述裂隙涌入采空區。其中K2、K4含水量較大,涌水量30--45m³/h。受到150103采空區積水影響,目前Q8采空區積水約1437m³,Q9采空區積水約496m³,留設放水孔,出水量約1.0m³/h。根據150201工作面采空區涌水量及150103采空區涌水量,推測150202回采工作面回采期間正常涌水量40m³/h,最大涌水量80m³/h。
7、瓦斯地質情況
    瓦斯:15#煤瓦斯含量6.0-8.24m³/t;相對瓦斯含量:11m³/t;絕對瓦斯含量:1.82m³/min;瓦斯壓力:0.53Mp;原煤瓦斯含量:8.24m³/t。
8、其他地質情況
煤塵:具有爆炸性;煤的自燃:不易自燃;地溫:0~14°;地壓:無沖擊地壓。
三、現場施工方案
3.1 設備

圖2 YDT88礦用無線電波透視儀系統組成圖

    本次勘探使用YDT88型礦用無線電波坑道透視儀,YDT88礦用無線電波透視儀是由福州華虹智能科技股份有限公司聯合相關高校院所,引進先進的數字通信調制、高速采集、嵌入式系統等技術開發完成的新一代無線電波透視儀。該儀器具有輕便靈活、智能高效、透視距大、抗干擾能力強、續航時間長等特點。同時基于儀器所形成的“一發雙收”“一發一收”等現場工作方法,可極大提高現場施工效率和探查精度。圖2為YDT88礦用無線電波透視儀系統組成圖。本次無線電波透視工作采用的YDT88型無線電波坑道透視儀,發射機和接收機均為礦用本安型,獲得煤安證書。
3.2 頻率
    地下電磁波衰減的透射異常區(“陰影”區)并非單由一次場的吸收所形成的,而且還受很多其它因素的影響。如感應二次場引起的干涉、煤層(或巖層)的不均勻性和各向異性、直達波、巷道的反射及漫反射波,以及煤層頂底板的圍巖波等。所以觀測場強值可能是幾種波的綜合值。結果使“陰影”變得模糊,以至于不能準確判定異常體位置,因此,選擇最佳工作頻率是很關鍵的。頻率過高,即使是高阻的巖石也會產生明顯的吸收作用,結果很可能不能突出要尋找的地質異常體的“陰影”區。而地質異常體的圍巖卻形成了“陰影”區;如果頻率過低,則由于一次繞射作用,使得要尋找的地質異常體可能被掩蓋。為了得到明顯的“陰影”區,必須選擇最佳的工作頻率。YDT88型無線電波坑道透視儀采用300KHZ。
3.3 觀測系統
    本次探測位置位于10103工作面自切眼往外600m,傾向長度平均約126-211m。采用無線電波透視技術在運輸巷、回風巷內分別發射和接收。本次井下探測(觀測)方法為定點法,定點法是發射機相對固定于巷道事先確定好的發射點位置上,接收機在相鄰巷道200m范圍內逐點沿巷道觀測場強值。發射點距50m,接收點距10m。每一發射點,對應21個觀測點。在150202面運輸巷巷共布置13個發射點,每個發射點對應在150202面回風巷接收21個實測場強值;在10103回風巷布置13個發射點,每個發射點對應在150202面運輸巷接收21個實測場強值。其中發射點間距為50m,接收點間距10m,F場布置圖見圖3。

圖2 YDT88礦用無線電波透視儀系統組成圖
 
3.4 實施步驟
觀測基本步驟如下:
(1)清理工作現場,按照施工要求標點。
(2)在觀測前,預先安排好觀測約定時間順序和工作點位。
(3)分組,連接設備,使其時間同步,設置工作參數,調試發射機和接收機,發射組和接收組就位。
(4)按時開始觀測,嚴格按時間表執行搬站、發射、采集工作。
(5)一側探測完場,根據工作時間長度選擇到另一側完成探測或暫停給設備充電。
四、數據處理與結果解釋
4.1數據處理方法
    此次數據處理在福州華虹智能科技股份有限公司開發的綜合物探系統&礦用無線電波坑道透視專用解析平臺中完成,該平臺可以對目前通用的多種坑透數據進行處理,具有工作面設置、參數設置、測線數據編輯、數據轉換、數據導出等功能,可以輸出實測場強綜合曲線圖、實測場強曲線圖、射線分布圖、定參結果圖、反演成像圖、實測場強分布圖等多種圖形信息。鑒于150202工作面地質構造類型較多,在數據處理時結合了傳統的手繪異常交匯方法。
    通過跟蹤巷道實際揭露構造的方法控制整個工作面地質構造發育的主要信息。對未揭露的異常區進行特征比較,發現隱伏地質構造,并判斷地質構造類型和規模。

圖4 實測場強綜合曲線圖
4.2 實測數據處理結果
    通過礦用無線電波坑道透視專用解析形成實測場強分布圖和吸收系數分布圖如下:

圖5 實測場強分布圖
    其中藍色調區域顏色越深表明其場強值越低,即該段煤層無線電波穿透能力弱。圖中各段情況反映結果與實測場強曲線結果基本一致。

圖6 吸收系數分布圖

    圖中紅色區域為吸收系數大,藍色區域為吸收系數小。區域顏色偏向紅色或偏向藍色均表示該位置每層對無線電波吸收能力變化較大,體現出不同類型地質構造對無線電波透視造成的影響。通過手繪異常交匯方法,可以劃分不同地質構造異常范圍的邊界,進一步判斷地質構造類型和規模。
五、物探結論
5.1 測區劃分
    基于150202工作面探測區域無線電波透視探測實測對原始數據、場強曲線值變化特征,綜合分析解析成果以及現場情況,發現本次探測150202工作面煤層的變化與場強值得變化具有相關性。根據本次無線電波的場強差異表現,劃分出了以下5個分區:
1:回風順槽測線30至70m范圍,運輸順槽00至30m范圍,場強值介于63-68dB之間,綜合分析范圍內煤層較穩定,地質構造不發育。
2:回風順槽測線70至220m范圍,運輸順槽30至270m范圍,場強值大于68dB,范圍內煤巖層節理裂隙較發育,煤層較穩定,局部有小范圍地質構造異常發育。
3:回風順槽測線220至340m范圍,運輸順槽270至370m范圍,場強值大于65dB,范圍內有落差較小的構造發育,煤巖層節理裂隙較發育,落差大于煤層厚度的斷層存在可能性小,煤層厚度較穩定但煤層起伏比較大。
4:回風順槽測線340至430m范圍,運輸順槽370至430m范圍,場強值大于65dB,范圍內煤巖層節理裂隙較發育,可能存在落差大于煤層厚度的斷層,煤層起伏比較大。
5:回風順槽測線430至540m范圍,運輸順槽430至520m范圍,場強值介于55-65dB之間,范圍內煤巖層節理裂隙發育,煤層比較破碎,可能存在落差大于煤層厚度的斷層,煤層起伏比較大。
6:回風順槽測線540至580m范圍,運輸順槽520至580m范圍,場強值小于55dB,范圍內煤巖層摺曲發育,節理裂隙發育,煤層比較破碎,可能存在落差大于煤層厚度斷層。

圖6 吸收系數分布圖
    在此次無線電波透視中,實測場強變化值介于38-78之間,變化幅度較大,經過以上分區,更有利于掌握每個分區范圍內的主要地質特征,為物探成果的地質解釋提供方便。
5.2 異常區地質構造類型判別
    根據本礦地質情況,本次探測采用無線電波透視探測方法,主要目的是調查150202工作面內的煤層變化及構造發育情況。結合現場情況和地質資料,綜合分析探測區域地質異常,包括物探區域內煤巖層變化,煤層變薄,裂隙、陷落柱等構造類型和分布范圍,得到如下地質異常統計見表7-1。
表7-1 異常區統計表


圖8 物探成果地質解釋圖
    總體上,吸收系數分布圖中藍色區域為斷層或煤層破碎帶,黃色及紅色區域為摺曲分布帶。受工作面內摺曲的影響,此次探測區域內未發現明顯陷落柱異常,但運輸順槽100m靠近巷道位置需進一步探測。
六、實驗成果評價
    此次探測范圍覆蓋150202工作面切眼至停采線580m長度,回采工作面寬度150m,總面積為87000㎡。井下有效施工時長4個小時,施工人員共6人。兩巷發射點共26個,每個發射點對應21個接收點,超出探測范圍的接收點數據為輔助數據只做參考,探測成果中不予取用。實測數據677個,測試數據為105個,有效計算數據486個,其中接收輔助數據60個,背景場數據26個。
    無效數據數量為0,實測數據變化穩定介于60到79之間,構造發育異常區實測值最低至35;不同測站在同一接收點的數據重復性和一致性都比較好;背景值均小于10。整體數據質量優良。同一測點不同實測數據之間的差異體現出不同信號傳播路徑的地質體物性差異,表現為地質異常越接近與接收點,各個實測數據值都比較低,且在實測場強圖中形成比較一致的凹點。地質異常與接收點越遠,不同數據之間的差值越大,更有利于分析地質異常到兩巷的距離,實際上提高了坑透的縱向分辨率。
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