基于电磁波层析成像技术的隐伏构造区边界判定_屈小兵.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 在矿井实际生产过程中，由于回采工作面受地 质构造及采动变化等各种因素制约，时常因前方隐 伏构造探测不明， 导致水害、 瓦斯、 顶板等各种灾害 威胁加重， 降低回采效率， 危及人身安全[1]。然而， 将 高频电磁波传播特性为基础的层析成像技术应用于 矿井预测预报工作， 对于陷落柱、 火成岩入侵区、 断 层延伸破碎带等多种隐伏地质构造的精密探测有着 重要的应用价值[2-4]。 近年来，大量学者结合矿井实际问题以及各种 干扰因素， 对电磁波透视技术展开了大量研究， 主要 集中在以下几个方面电磁波 CT 成像技术以及抗 干扰的相对层析成像技术，此技术清楚地反应了断 层的组合及交叉切割的相对关系[5-6]； 频域内质心频 移技术，此技术能够重建并恢复具有衰减特性的空 间分布， 但要求电磁波信号的频带应足够宽， 以便可 以应用于各种频率，这种技术不会受到任何因素的 干扰，并且重建之后的图像比起场强法更为精准可 靠[7]； 射机功率、 发射频率稳定性以及接收机灵敏 基于电磁波层析成像技术的隐伏构造区 边界判定 屈小兵 1， 鲍俊睿2 （1.山西潞安矿业集团东盛煤业有限公司， 山西 长治 046000； 2．山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿， 山西 长治 046000） 摘要 为了进一步探明李村煤矿 1303 工作面局部顶板高位塌陷现象的根本原因， 采用电磁波 定点法对 1303 工作面进行高精度坑道探测， 得到了 3 组构造透视异常区， 确定 1303 工作面前 方存在 3 组隐伏构造， 分别为煤层破碎带或层间断层、 FJ17断层延伸段影响区以及 FJ25断层延伸 段影响区。结合工作面现推进位置， 揭示了工作面 92～123架间顶板发生大面积冒顶的根本原因 是 FJ17断层向工作面内延伸的反映， 为工作面过断层延伸段的方案设计提供了可靠的理论依据。 关键词 隐伏构造； 工作面冒顶； 无线电波； 层析成像； 定点法探测 中图分类号 TD163．1文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0147-05 Boundary Determination of Concealed Structure Region Based on Electromagnetic Tomography QU Xiaobing1, BAO Junrui2 （1.Shanxi Lu’ an Group Dongsheng Coal Industry Co., Ltd., Changzhi 046000, China； 2.Licun Coal Mine of Cilinshan Coal Industry Co., Ltd., Lu’ an Mining Group in Shanxi Province, Changzhi 046000, China） Abstract To further explore the root cause of the high roof collapse phenomenon of the 1303 working face, the high-precision tunnel detection of the 1303 working face was carried out by electromagnetic wave fixed point , and three sets of structural perspective anomaly zones were obtained. Finally, three sets of concealed structures existed in front of the 1303 working face, respectively, coal seam fracture zone or interlayer fault, the affected area of the FJ17fault extension and the FJ25fault extension affected area. Combined with the current advancing position of the working face, it is revealed that the root cause of large area roof caving in the roof of the working face between 92support and 123support is the reflection of FJ17fault extending into the working face. Key words concealed structure; working surface caving; radio waves; tomography; fixed-point detection DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.032 屈小兵， 鲍俊睿．基于电磁波层析成像技术的隐伏构造区边界判定 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 147-151. QU Xiaobing, BAO Junrui. Boundary Determination of Concealed Structure Region Based on Electromagnetic Tomography ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 147-151.移动扫码阅读 147 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 度、信噪比等各项性能的优化改善，使电磁波信号 更加稳定，地层透视效果更加精准，满足了不同介 电常数、 不同电阻率、 不同规模、 不同类型的多层地 质构造的探测需求[8]。 以电磁波层析成像技术为手段对 1303 工作面 前方隐伏构造进行探测，能够精准确定工作面前方 多种隐伏构造的类型及影响范围，为工作面过隐伏 构造的方案设计提供可靠的理论依据，提高回采期 间的作业安全。 1工程概况 1303 工作面位于李村煤矿井田北部， 工作面走 向 E18S，工作面北部为设计 1305 工作面，南部 1302 工作面， 西部为一采区大巷， 东部为井田边界。 工作面开采煤层厚 5～5.3 m， 平均厚度 5.1 m。该工 作面总体地势西南高东北低，总体呈一向东北倾的 单斜构造， 倾角 3～9， 工作面东部坡度较大， 西部 较缓。工作面掘进时揭露断层 FJ25（H2 m ∠39） 、 FJ27（H1.8 m ∠75） 、 FJ17（H2.5 ∠51） ； 在 1303 进 风巷距离切眼 320～360 m 处有 1 处向斜。 当工作面推进至切眼大约 280 m 时， 92～123 架间顶板发生大面积冒顶现象，且掉落块岩成分皆 以坚硬砂岩为主， 块度大， 硬度高， 矿用破碎机无法 破碎，现已对运转设备及作业人员的人身安全造成 严重威胁。为遏制破碎顶板的大面积垮落，进一步 探明工作面前方煤壁中的其他隐伏构造，特此采用 无线电波对工作面前方区域进行坑道透视，以提高 工作面回采期间的安全作业管理。 2电磁波透视方法的确定 2.1电磁波透视原理 无线电波坑透法是基于电磁波的发射、 反射、 折 射及绕射原理，通过不连续介质中的介质体电性不 同，以电磁波能量吸收量作为评判标准，从而得出 不连续构造带的岩性成分及构造边界线。采用无线 电波进行坑道透视时，电磁波按照规定路径传播， 当传播介质发生变化后，传播路径会发生折射与绕 射现象，通过对比能量的损耗与接收情况，能够精 准地判断出电磁波传播路径发生偏移的界限点[9]。 当电磁波由低阻岩层穿过高阻岩层或由高阻岩层穿 过低阻岩层时，电磁波同样会发生能量的损耗， 且 低阻岩层对电磁波的吸收作用效果较好，通过电磁 波信号的接受强弱，可以判断出电磁波异常传递区 的范围以及传播介质发生变化后的构造带类型[10]。 2.2发射点的布置 本次 1303 工作面构造带采用定点法探测， 这种 方法不易出现差错， 且速度快、 效率高， 易于操作。 采用定点法时，首先针对探测区域的巷道处选取合 理的发射点，并按照发射间距将发射机固定于相应 的发射点处，在相对应的巷道内按照接受间距布置 接收机，观测并记录每个发射点对应接受范围内的 场强值。选取发射点距 50 m， 接收点距 10 m， 每个 发射点所对应接受点数量为 11～20 个，发射点与接 受点对应布置情况如图 1。 由于地下岩层构造复杂，电磁波在地层中传播 时同时会受到工作面巷道的反射波、 漫反射波， 顶底 板围岩波以及煤层不均匀性影响等诸多二次场的干 涉影响，导致实际得到的场强值为一次场与多组二 次场的综合值，异常传递区所表现出的阴影效果变 得模糊， 从而影响构造边界的判定。因为， 为改善电 磁波异常传递区的判定效果，电磁波工作频率的合 理选取至关重要， 若频率过高， 则电磁波会受高阻岩 层吸收作用较大，电磁波有可能无法穿过地质异常 区， 若频率较低， 则由于存在一次绕射作用， 导致一 定范围内的地质构造异常区被掩盖，通用无法得到 准确的地质异常区范围。 根据 1303 工作面的实际情 况及现场测试，本次探测工作选取频率为 0.3 MHz 的电磁波进行井下数据采集。 3无线电波坑透法探测分析 3.1无线电波坑透方案 本次坑道透视选取探测仪器为 WKT-E 本质安 全型矿用防爆无线电波坑道透视仪，该套设备包含 发射机、 接收机、 发射天线、 接收天线以及地面充电 器等多组配件，测量场强值由井下采集之后，可传 输至计算机进行分析处理。 图 1无线电波坑道透视定点法布置示意图 Fig.1Schematic diagram of radio wave tunnel perspective fixed point 148 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 本次工作面无线电波探测工作以 1303 工作面 进风巷与 1302 工作面辅助回风巷为探测巷， 两巷各 布置探测长度 1 150 m， 其中 1303 进风巷布置发射 点 22 个， 接收点 242 个， 1302 辅助回风巷布置发射 点 22 个，接收点 242 个，共布置电磁波发射点 44 个， 每个发射点对应场强接收点 11 处， 共计场强实 测点 484 个。 1302 辅助回风巷 开口处为 615测点， 向切眼 方向每隔 10 m 顺序递减，测点号为 615、 610、 605 、 、 至 500测点为止。 1303 进风巷 开口处为 115测点， 向切眼方向 每隔 10 m 顺序递减， 测点号为 115、 110、 105、 、 至 0测点止。 按照李村煤矿 1303 工作面的地质特征， 设计发 射点间距为 50 m， 均匀布置于两巷道。每个发射点 按照接受范围在对应巷道中布置实测点 11 处， 1303 工作面无线电波定点法测点布置图如图 2。 本次探测范围内背景场基本在 5 dB 以下， 实测 场强值总体上在 20～60 dB 之间， 实测场强远大于背 景场， 说明本次采集数据质量合格， 但巷道电缆、 开 关以及属器件对原始数据的采集和资料解释存在有 一定影响。 3．2探测数据处理与分析 3．2．1无线电波透视 CT 成像图 将实际测得的场强值输入透视系统专用软件进 行处理分析，得到的 1303 工作面无线电波透视 CT 成像图如图 3。 通过分析 CT 成像图中的场强衰减情 况， 将小于-5 dB 划为异常， 由此可得到 4 处探测异 常区， 其中第 1 处异常区距离开口较近， 位于 592～ 607测点之间， 该异范围较大， 异常反应在 595发 射点处相对较强； 第 2 处异常区位于 25～40测点之 间，综合矿井地质资料及现场探查情况分析，推测 为 1303 进风巷揭露断层 FJ25向工作面延伸的反映， 但不排除该范围内存在其他隐伏构造的可能；第 3 处异常区位于 513～521测点之间， 异常范围相对较 小， 根据巷道掘进过程中揭露情况分析， 推测可能为 揭露断层 FJ17向工作面内延伸的反映。第四处异常 区位于切眼处，在 0～10测点之间，根据现场勘查 情况分析，该异常区为工作面回采塌陷区。因第 4 处异常区为工作面回采塌陷区，不属于工作面前方 未探明隐伏构造， 因此不作分析。 3．2．2主要异常区的综合曲线图 在分析场强综合曲线图时，若出现实测场强变 化曲线与对应的理论场强变化曲线差异较大，则表 明此范围内的场强衰减比例较大，电磁波能量吸收 较强，也就是存在着地质构造异常区。对实测场强 值数据进行整理分析，绘制的 3 处隐伏构造探测异 常区的场强值综合曲线图如图 4～图 6。 图 21303 工作面无线电波定点法测点布置图 Fig．21303 working surface radio wave fixed point measuring point layout 图 31303 工作面无线电波透视 CT 成像图 Fig．31303 working face radio wave perspective CT imaging 图 4第 1 处构造异常异常区实测场强综合曲线图 Fig．4The first comprehensive anomaly area 149 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 1） 发射点 90～105、 590～605发射点对应的综 合曲线如图 4， 场强与理论场强值均存在一定差值， 而 595、 95、 100发射点对应的综合曲线图， 实测场 强值与理论值差异相对较大，反映出来的异常相对 明显， 衰减系数达到-20， 说明该范围内存在一定地 质异常，综合巷道成巷时的揭露情况可推测此区域 可能属于煤层破碎带或层间断层。 2） 发射点 525～540、 25～40发射点的综合曲线 如图 5。实测场强与理论场强存在一定差值，其中 530、 535、 30、 35发射点处的实测场强与理论场强 差值较大， 场强曲线呈锯齿状分布， 推测该范围内存 在地质异常，结合李村煤矿矿井地质探测资料与工 作面揭露状况可以得到，此区域可能为 FJ25断层带 的延伸反应。 3） 发射点 510～520、 10～20发射点的综合曲线 如图 6。 实测场强与理论场强存在一定差值， 但实测 场强与理论场强值相差较小， 综合 1306 备用工作面 地质资料， 推断此区域可能为 FJ17断层的延伸反应。 3.3探测结果 本次 1303 工作面无线电波探测报告， 经数据传 输、 编辑、 巷道绘制、 测点布置、 CT 多重计算、 参数校 验等多个步骤，最终得到无线电波坑透综合曲线图 及 CT 扫描成果图。 根据分析本次坑透试验的实测场强曲线值变化 特征与吸收系数 CT 成像图，为扩大地质异常区的 探测范围，将分贝小于-5 dB 的区域划定为地质构 造异常区。本次坑透探测共发现地质异常区 3 处， 可将其编号为 YC1、 YC2、 YC3。 1） YC1异常。异常区距进风巷开口 161～353 m， 辅助回风巷 161～353 m，沿工作面走向影响范围约 为 193 m， 异常范围相对较大， 推测该异常可能为煤 层破碎带或层间断层的反映，对工作面的回采影响 相对较大。 2） YC2异常。异常区距进风巷开口 847～960 m， 辅助回风巷 873～980 m，沿工作面走向影响范围分 别为 134 m，推测可能为 FJ25断层向工作面内延伸 的反映，但不排除存在其他隐伏构造的可能。对工 作面的回采影响相对较大。 3） YC3异常。异常区距辅助回风巷 1 024～1 105 m，沿工作面走向影响范围约为 81 m，推测可能为 FJ17断层向工作面内延伸的反映，若为 FJ17断层向 工作面内延伸， 延伸距离可能为 76 m 左右， 对工作 面的回采有一定影响。 4结论 1） 通过电磁波衰减层析成像原理对 1303 工作 面进行探测， 共完成测点 484 个， 发射点 44 个； 共发 现无线电波透视异常区 3 处，分别为煤层破碎带或 层间断层的反映 （YC1） 、 FJ25断层向工作面内延伸的 反映 （YC2） 、 FJ17断层向工作面内延伸的反映 （YC3） 。 图 5第 2 处构造异常异常区实测场强综合曲线图 Fig.5The second comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves 图 6第 3 处构造异常异常区实测场强综合曲线图 Fig.6The third comprehensive structural anomaly area measured field strength comprehensive curves 150 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 2 ） 结合工作面现推进位置， 揭示了工作面 92～ 123架间顶板发生大面积冒顶的根本原因是 FJ17断 层向工作面内延伸的反映。 3） 确定了 3 组透视异常区所存在的隐伏构造类 型及影响范围， 为李村煤矿 1303 工作的安全回采提 供了可靠的理论依据。 参考文献 ［1］ 焦险峰， 姜志海， 刘树才．煤层变薄区坑道无线电磁波 透视异常响应特征 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2014， 31 （6） 1001-1004． ［2］ 肖玉林． 回采工作面多频率无线电波透视探测研究 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2016， 44 （5） 146-148． ［3］ 陈昌彦， 沈小克， 苏兆锋， 等．电磁波层析成像技术在 复杂地质边坡工程勘察中的应用研究 ［J］ ．地球物理 学进展， 2012， 27 （2） 796-803． ［4］ 刘盛东， 刘静， 岳建华．中国矿井物探技术发展现状和 关键问题 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （1） 19-25． ［5］ 夏冬， 常宏．应力速率对岩石声发射特征影响的试验 研究 ［J］ ．矿业研究与开发， 2015， 35 （3） 52-56． ［6］ 刘鑫明， 刘树才， 姜志海， 等．基于改进振幅衰减常数 的无线电波透视层析成像研究 ［J］ ．地球物理学进展， 2013， 28 （2） 980-987． ［7］ 杨光， 姜志海， 金红娣， 等．无线电波透视技术探查工 作面隐伏构造 ［J］ ．煤炭工程， 2012 （3） 126-128． ［8］ 杜木民．无线电波坑道透视技术在煤矿井下陷落柱探 测中的应用 ［J］ ．煤炭与化工， 2016， 39 （2） 52-54． ［9］ 朱海锋， 王传盈．无线电波坑道透视技术在陈蛮庄煤 矿回采工作面构造探查中的研究与应用 ［J］ ．山东工 业技术， 2016 （14） 139． ［10］ 梁庆华， 吴燕清， 李云波， 等．无线电波探测瓦斯富集 区理论与方法 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （S1） 148. 作者简介 屈小兵 （1971） ， 男， 山西长治人， 工程师， 本科， 研究方向为矿山机电与机械设备管理。 （收稿日期 2019-05-05； 责任编辑 陈洋） 151 ChaoXing