无线电波坑道透视构造煤的研究.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 0 2年 6月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C H1 NA C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 27 No． 3 J u n e 2 0 0 2 文章编 号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 2 0 30 2 5 4 0 5 无 线 电波坑道 透视构 造 煤 的研 究 汤友 谊，陈 江峰， 彭立 世 焦 作工学院 资源 与环 境工程 系，河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 为提 高矿 井煤与 瓦斯 突出危 险性预 测的准确性和可靠性 ，研 究 了利用无线 电波坑道透视 技术探 测构造煤的物性前提及 电磁波在 由构造煤和硬煤组成 的 瓦斯 突出煤层 中传播 时的 电性响 应． 以一个采煤工作面构造煤及其分布的探测 为例 ，阐明 了探测 方法、资料解释及回采验证 的情 况和 效 果 ，说 明 了无 线 电波坑 道 透视 技 术 可 以成 为 非接 触 性探 测 构 造煤 的一 种 方 法 ．同时 ，指 出 了存在 的问题和进一步的研 究方向． 关键词 煤与 瓦斯突出；预 测；无线电波坑道透视探 测；构造煤 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 5 ；T D 7 1 3 ． 2 文献标识码 A 煤与瓦斯 突出危 险性预测的 目的是科学地 区分突 出煤层客观存 在的突 出危险 、突 出威胁 和非 突出区 带 ，以提高采掘生产中防突措施 的针对性和有效性 ，为突 出矿井安全生产 、减耗增效服务． 煤与瓦斯突 出是一个短时能量释放的动力学过程 J ．当地应力 、采矿应力和煤层瓦斯含量及压力达到 一 定值时 ，是否发生突出的关键就在于各种应力与煤壁阻力问的相互关系 ，只有各种应力之和大于煤壁阻 力时突出才会发生．煤层 中煤体结构遭受构造应力破坏的构造煤 软煤 分层具有孔隙度大 、渗透性差 、 易于瓦斯富集 ，且瓦斯解吸快 、强度低等特点 J ，其抵御外 力破坏 的能力较之煤 体结构未遭受破 坏或破 坏轻微的煤 硬煤分层要差得多． 而且，矿井煤与瓦斯突出总是从构造煤分层开始的． 所以，将煤体结 构破坏类型和构造煤分层厚度作为重要指标 ，通过采煤工作 面及其巷道煤壁的煤体结构观测 、描述 和相关 瓦斯参数监测 ，在地质综合分析的基础上进行矿井 突出危险性预测 ，取得了较好的效果 ，并得到一定程度 的推广应用 ． 大量 的煤壁观测资料表 明，构造煤的分布及其厚度是受控于一定地质构造 的，但其在纵 、横 向上的变 化较大 ，地质推断 的距离有 限；对未揭露区的预测仅 限于地质定性分析 ，难以满足生产需要 ．为提高 预测 精度 ，非接触式探测构造煤 的研究势在必行．这方面，国外未见成功的报道 ；国内煤炭科学研究总院重庆 分院和西安分院在矿井物探手段上做 了大量的研制工作 ，并在无线电波坑道透视采煤工作面地质构造 、溶 洞 、煤厚变化等方面收到了较好的效果 ，也 曾尝试 用于突 出预测 J ．笔者的研究则侧重 于选 择合适 的探 测手段 和方法 ，依据对构造煤分布状况与地质条件之 间相互关系的规律性认识 ，实现构造煤 的非接触式探 测 ，从而提高未揭露 区矿井 突出危险性预测的精度和可靠性． 1 探测构 造煤分 布 的物性前提 及可 能性 1 ． 1 不同破坏类型煤体的物性差异 为解决突出煤层中构造煤的非接触式探测，圈出构造煤分层的分布范围，笔者曾以 “ 构造煤无线电 波透视探测技术研究” 9 4 3 2 1 立项 进行 了不 同矿 区、不 同煤种 、不 同破 坏类 型煤 体物性参 数的系统 测试研究．结果显示 ① 依物性差异可将突出煤层中不同破坏类型的煤体区分为两类，即煤体结构破坏 较严重，利于瓦斯突出发生的构造煤 软煤和煤体结构未遭受破坏或破坏轻微的硬煤．② 就电性而言， 收稿 日期 2 0 0 1 1 0 2 4 基 金项 目“ 九五” 国家科 技攻关子项 目 9 62 2 30 1一 o 3一 o 3 维普资讯 第 3期 汤友谊 等 无 线 电波坑 道透视构 造煤 的研究 2 5 5 煤种及破坏类型相同的煤电阻率较接近 ，同一煤种不同破坏类型的煤体 电阻率存在显著的差异 ；并且不同 煤种煤的电阻率表现 出截然不 同的差异性．对 无烟煤来说 ，构造煤 的电阻率较高 ，是硬煤的 1 0倍 以上 ； 而烟煤则相反 ，硬煤的电阻率是构造煤 的 1 0倍 以上 图 1 ．说 明烟煤的导电性较差 ，电阻率较高．而烟 煤中的构造煤导 电性较好 ，可能是其煤化程度较同煤种 的硬煤稍高所致．③ 不 同煤种煤 的介 电常数差异 较大 ，同一频率条件下无烟煤的介 电常数是烟煤 的 3倍 以上 ；而 同一煤种 的构造煤与硬煤 的介电常数相差 较小 ，特别是烟煤 ，不同破坏类型煤的介 电常数在同一频率下相差无几．不 同矿区同一煤种煤的介 电常数 存在一定的差异性 图 2 ．④ 温度和湿度对电阻率的影响较大 ，对介 电常数的影响相对较小． 图 1 电阻率的测定结果 Fi g ． 1 Th e t e s t r e s ul t s o f r e s i s t i v i t y 1 ． 2 构造煤的无线 电波响应特征 4 5 暑 3 0 ● l S 0 ． 圈构造 煤f - q 硬煤 因r _ ]图 r _ ] 焦作无烟煤 鹤壁烟煤平顶 山烟煤 图 2 介电常数的测定结果 Fi g ． 2 Th e t e s t r e s u l t s o f d i e l e c t r i c c o ns t a n t 当进行无线 电波透视 时，影响吸收系数的主要 因素是介质 的电导 、介电常数及导磁率 ’ ． 由于含煤 地层中磁性物质少 ，一般 可视导磁率为 1 ．而构造煤与硬煤 的电导和介 电常数存 在明显 差异 ，故 由构造煤 和硬煤构成的突出煤层是一各向异性的层状介质．当无线电波沿各向异性介质层理方向传播时，这种介质 可近似地看作具有复 电阻率 P 和复介电常数 的各向同性介质． 因此 ，瓦斯 突出煤层可视为构造煤 与硬煤的互层．设突出煤层中构造煤 和硬煤 的厚度分别为 h 。 ，h ，电阻率分别为 P ， P ，介 电常数分别为 l ， 2 ，则 P A{ 2 ,r rf 1 1Ⅳ [ m 1 1 m ； Ⅳ P m 2 1m ] } ～， 1 1Ⅳ [ 1m 2N P 1m ] ， 2 式 中，A为与组合介质的厚度 、电导 、介 电常数相关 的系数 ， A 1N P m Ⅳ P m ，无量纲 ； Ⅳ r t 2；P ；m 一 ；m 一 ； 为组合介质 的复电导率 ，S ／ m； f为发射频率 ，H z ． 式 1 ， 2 即为无线电波在含有构造煤分层的突出煤层中传播时的电性响应．将不同破坏类型煤 体按不 同厚度进行组合 ，经测试计算 可知 烟煤组合 的复 电阻率随构造煤厚度增加而降低 ，无烟煤组合则 随构造煤厚度 的增加而增加 ；吸收系数 的表现正相反 ，烟煤组合随构造煤厚度增加而增加 ，无烟煤组合则 随构造煤厚度增加而减小 ；不同矿 区、不 同破坏类型煤组合的复介 电常数也具规律性的电性响应 ，但变化 幅值较小 ． 上述表明 ，构造煤与硬煤间的电性差异 明显 ；不 同破坏类型煤体组合的无线电波响应具有规律性．所 以，利用 电磁波法为主的井下物探手段探测突 出煤层 中构造煤 的分布状况具备物性前提． 1 ． 3 无线电波坑道透视探测构造煤的可能性 煤层是含煤地层 中的相对薄弱层 ，在构造应力作用下 的应变较显著 ，表现为煤层产状 、厚度 、甚至煤 化程度的局部变化和不 同尺度断裂或揉皱等的生成 ，使煤体的原生结构遭受不同程度的破坏．破坏程度越 高 ，煤体 中断裂或揉皱越密集 ，整体强度越低 ，直至煤体变为碎粒状 、糜棱状．电磁波在穿透煤 层中的破 维普资讯 2 5 6 煤 炭 学 报 2 0 0 2 年第2 7 卷 坏煤体时 ，由于电性 的改变和其中各种界面的存在 ，会发生吸收 、折射 、反射甚至屏蔽现象 ，使信号异常 减弱或消失 ，形成衰减场异常 阴影 区．可通过对形成衰减场异常的地质因素分析来实现对构造煤及其 分布范围的探测． 2 无线 电波坑 道透视探 测 实例 2 ． 1 工 作面 概 况 平顶 山八矿已。 一1 3 1 9 0工作面位于已 扩大轨道下 山西侧 ，南部 1 3 1 7 0工作面 已采．工作 面运输巷长 约 6 0 0 m，回风巷长约 7 4 0 m，倾斜宽约 1 4 0 m．煤层埋藏深度为 5 3 0～ 5 9 0 m．倾角为 1 4～1 5 。 ．煤层厚约 3 ． 2 IT I ，结构简单 ，煤质牌号为焦煤．顶板 为砂质泥岩 和粉砂岩 ，底板 为砂质泥岩和细砂岩．巷道掘进时 在运输巷中揭露落差为 1 ． 8 m的逆断层 1条 ，出煤斜巷 中揭露落差为 0 ． 6 m的正断层和逆断层各 1 条 ，它 们均 出现在工作面西北辛店断层尖灭端的南 部，呈近 E W 向展布．从剖面上看 ，运输巷中构造煤主要分布 在煤层上部 ，横向连续性较好 ，厚 0 ． 3～1 ． 0 m，在小断层旁侧和局部地段变厚 ，有时煤层 下部也出现不 稳定 的构造煤． 回风巷 中构造煤连续性差 ，工作面西段 出现在煤层上部 ，东段出现在煤层下部 ，厚度也较 薄 ，仅 0 ． 3～ 0 ． 5 m，西段较东段略厚． 2 ． 2无线电波坑道透视探测 为提高对 1 3 1 9 0工作面突出危险性预测 的可靠性 ，在工作面圈成 、设备安装前对工作面 内构造煤分布 状况实施 了无线电波坑道透视探测．工作面运输巷和回风巷主要为工字钢支护 ，近切眼的工作面里段为金 属网和锚杆支护．用煤炭科学研究总院重庆分 院研制 的 WK TF 型无线 电波透视仪 ，采用 0 ． 5 MHz 工作 频率 ，定点交会法实施探测 ．接收点间距为 1 0 m，发射点间距 为 5 0 m．两巷共完成发射点 2 4个 ，接 收点 1 3 8个．除边界点外 ，回风巷接收到的实测场强 H 最大为 4 9 ． 5 d B ，最小为 1 3 ． 5 d B，以 3 5 d B左右者居 多 ；衰减系数 -qH一／ 4 0 最大为 一 4 d B，最小为 一 3 8 d B，多为 一 2 2 d B左右．运输巷接收到的实测场 强最大为 4 7 ． 5 d B，最小为 2 1 ． 5 d B，以 3 0 d B左右者居 多；衰减系数最大为 一 5 d B，最小为 一3 2 d B，多 为 一 2 0 d B左右． 探测过程 中仪器工作状态 良好 ，干扰因素不大 ，接收效果较好． 2 ． 3 探测资料整理和解释 资料整理用透视仪附带的资料处理系统软件完成．共绘制综合 曲线 图 2 4帧 ，C T分析平面图一幅作为 资料解释的基础．依据各发射点的综合 曲线形态 ，比较实测场强 的两极值 、极值 差及与理论场强 ／ 4 差 值 一 、衰减系数的两极值、极值差，初步确定某一发射点与相应接收点间是否存在异常，再结合 C T分析平面图上显示的衰减场异常区，用交会法在平面图上画 出异常 区范围 ，并分析造成 异常的因素 和 地质意义 ；当遇单向异常时用虚线圈出可能异常范 围． 资料解释的一般原则 1 当 ， 卵分别呈似 正态 曲线型且实测场强 H和衰减 系数 -q 的两极值差分别小 于 1 0 d B，理论 场强与实测场强 的差值一般小于 2 0 d B时 ，该发射点与相应接收点间可视为无探测异常． 2 当 H，卵曲线 分别呈 阶梯 型 、槽 型 、单 增或单 降 型，且 H和 叩两 极值差 分别或 其 中之 一大 于 1 0 d B， 与 差值一般均大于 2 0 d B时 图 3 ，则认为该发射点与相应接收点间存在探测异常 ，再依 曲 线类型和地质背景资料判断引起异常的原因． 3 综合曲线 图上的边界振荡点 ，可视相邻测点 和对巷相应测 点的曲线形态 及幅值 ，确 定是否解 释 异常． 4 综合 曲线 图中出现的单个振荡点 ，视对巷相应测点的曲线形态分析而定 ，一般不解释异常． 无线 电波坑道透视探测资料解 释结果如图 4所示 ．共圈出显著异常 区 3个 ，可能异常区 1个． 2 ． 4 探测结果在瓦斯突出危险区域预测中的应用及检验 结合背景地质资料分析认为 ，探测异常主要是 由煤层 中小构造 、倾角变化 等因素造成煤体结构局 维普资讯 第 3期 汤友谊等 无线电波坑道透视构造煤的研究 2 5 7 5号发射点 3 5号发射 点 1 0 5 号 发射点 1 1 5号发射 点 图3 己 一1 3 1 9 0工作面部分测点综合分析曲线 F i g 3 S y n t h e t i c a n a l y s i s c u r v e s o f s o me me a s u r i n g p o i n t s i n C o a l f a c e N o ． J 1 51 3 1 9 0 1 理论场强 ；2 实测场强 ；3 衰减系数 9 O号 1 0 0号 1 3 0号 1 4 0号 1 5 0号 1 6 0号 测点号 ⋯ 地质预测突 出边界 ； 一 一坑透 预测突 出边界 ⋯一 实际验证突出边 界； 待验证边界 0 瓦 斯 突 出 点 ； E l 动 力 现 象 点 ； 探 测 异 常区 ； 团 探 测 可 能 异 常 区 图4 己 一1 3 1 9 0工作面瓦斯突出带预测与实际对比 F i g ． 4 T h e c o n t r a s t b e t we e n p r e d i c t e d o u t b u r s t r e g l i o n a n d mi n e do u t a r e a i n C o a l f a c e N o ．J 1 51 3 1 9 0 部破坏而引起 的．而煤体结构局部破坏且破坏程度达到探测异常 的地段 ，即突出危险性增大的地段 ，按探 测异常区分布 ，显示出工作面突出危险性西强东弱 ，以运输巷 4 5号发射点 与回风巷 1 0 5号发射点联线为 界 ，北西为突出危险 区，南东为非突出区 图 4 ． 突出危险带呈近 E W 向展布 ，与辛店断层尖灭端延展方向近平行．按常规瓦斯地质方法预测与按探测 异常区进行预测 的结果基本 吻合 ，但瓦斯地质和探测资料综合分析得到的预测成果较之单用常规瓦斯地质 方法进行预测 ，可靠性和可信度有了很大提高．项 目鉴定时该工作面正在 回采 ，已采段瓦斯治理实践较好 地证明了预测结果 的可靠性较高 图 4 ． 3 结 论 1 由于突出煤层中构造煤与硬煤 的电性 响应存 在明显差异 ，使无线 电波坑 道透视技 术有望成为非 接触式探测构造煤及其分布 的一种有效方法． 2 采用常规瓦斯地 质预测与无线 电波坑道 透视探测相结合 的矿井瓦斯突 出危险带预测方法 ，可有 效地提高突出带预测 的准确性和可靠性． 3 因针对构造煤探 测的资料积累较少 ，目前 尚存 在如下问题 ①探测衰减 场异常区与实测构造煤 分布区在平面上有 时存在小距离 的偏移．② 由切层构造导致 的构造煤及其分布范围，探测准确性较高 ；但 由顺层构造导致的构造煤 ，由于相邻测点间物性差异不显著 ，可能造成背景值大的误解释；构造煤分布范 围小或煤体破坏程度不大形不成足够异常时 ，有漏解释的可能．故应进一步研究构造煤破坏程度和煤体瓦 维普资讯 2 5 8 煤 炭 学 报 2 0 0 2 年第2 7 卷 斯含量与衰减场异常问的定量关系． 在实测 和研究工作 中得到了平顶山八矿防突队 、地测科同志的帮助 ，谨致谢 参考文献 [ 1 ] 杨陆武 62． [ 2 ] 张铁岗 [ 3 ] 徐宏武 [ 4] 吕绍林 [ 5 ] 徐宏武 [ 6 ] 杨志刚 作者简介 彭立世．以煤体结构为基础的煤与瓦斯突出简化力学模型 [ J ] ．焦作工学院学报 ，1 9 9 7 ，1 6 2 5 7～ 平顶山矿区煤与瓦斯突出的预测及防治 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 1 ，2 6 2 1 7 21 7 7 透视法预测煤与瓦斯突出的尝试 [ J ] ．煤 田地质与勘探，1 9 9 5 ，2 3 2 6 1～ 6 2 ． 地球物理方法预测瓦斯突出研究 [ J ] ．焦作工学院学报，1 9 9 7 ，1 6 2 9 5～1 0 0 ． 煤层电性参数的测试和研究 [ J ] ．煤田地质与勘探，1 9 9 6 ，2 4 2 5 35 5 ． 坑透场强衰减与煤层倾角的关系 [ J ] ．煤田地质与勘探，1 9 9 7 ，2 5 5 5 2 5 4 ． 汤友谊 1 9 5 2一 ，男，上海宝山人 ，副教授 ，1 9 7 6毕业于焦作矿业学院煤田地质与勘探专业 ，现从事矿产地质及矿 井安 全的教学 与科研工作 ，发表 “ 利 用钻孔资料 预测矿井 未采 区煤层 瓦斯含量 ”、“ 东滩煤矿 瓦斯异 常涌出研究 ” 等论 文多 篇 ． St udy o f t e c t on i c c o a l b y r a di o- - wa r e pi t p e r s pe c t i v e T ANG Yo u - y i ，C HE N J i a n g - f e n g，P EN G L i - s h i D e p t ．R e s o u r c e a n d E n v i r o n m e n t En g i n e e r i n g， J o z u o I n s t i t u t e o f c ∞Z q ，J i a o z u o 4 5 4 0 0 0，C h i n a Ab s t r ac t I n o r d e r t o i mp r o v e t he a c c u r a c y a n d t h e d e p e n d e n c e o f t h e t e c h ni qu e u s e d t o pr e d i c t t he ris k o f mi n e c o a l a n d g a s o u t b u r s t ，t h e p a p e r s t u di e d t h e p h y s i c a l p r o pe r t y p r e mi s e ba s e d o n wh i c h we c a n e x p l o r e t h e t e c t o ni c c o a l b y t h e t e c h ni qu e o f r a d i o - wa r e pi t p e r s p e c t i v e a n d e l e c t ric a l r e s p o n s e wh e n e l e c t r o ma g n e t i c wa v e s p r e a ds i n o u t b u r s t c o a l c o n s t i t u t e d b y t e c t o ni c c o a l a nd s o l i d c o a 1 ．As a n e x a mp l e，t he d e t e c t i n g me t h o d，e x p l a i n i n g da t a a n d t h e r e s u l t o f mi n i n g c o n fir ma t i o n o f a Co a l f a c e a r e d e s c rib e d i n d e t a i l ． Ex p l a i n e d t h e r a d i o - wa r e pi t pe r s p e c t i v e t e c hn i q u e c a n be c o me t o t he n o - t o uc h me t h o d t o p r o b e t e c t o n i c c o a 1 ． At t he s a me t i me s o me pr o b l e ms a n d f urth e r r e s e a r c h di r e c t i n n o f t h i s me t h 0 d a r e a 1 s n d i s l 1 s s P d． Ke y wo r d s c o a l a n d g a s o u t bu r s t ；pr e d i c t i n g o u t b u r s t r e g i o n；r a d i o - wa r e p i t p e r s p e c t i v e；t e c t o n i c c o al 维普资讯