高瓦斯工作面地质异常区综合探查方法与应用

程海燕， 杨 伐

（1．淮南矿业集团 煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001；2．安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

1 概 述

在采煤工作中，常因遇到未能及时查明的煤层厚度变化、小构造、异常地质体等地质问题，使得工作面回采的复杂度和开采成本增加，并降低煤炭可采储量，甚至可能导致安全事故频发，最终造成经济和人员的巨大损失。因此，在工作面回采预备阶段采取探查等的必要手段，探明工作面影响安全高效生产的陷落柱、断层破碎带等异常体及煤层变薄、富水区异常范围，为煤矿安全高效生产等相关工作提供技术及安全支撑。目前，工作面构造探查所采用的方法有多种，其中无线电波透视CT方法简单，便于进行大范围的探查，不足的是其对走向断层等异常判断能力不足，而且单一方法探查分辨能力有限，故应该多种方法相综合，提高对地质异常体的判断能力。一般来说，对于整个工作面，探测采用无线电透视方法进行全面探查，获得对整个面内构造的区域分析［1－5］。同时结合直流电透视技术等方法对局部复杂区进行探测，进一步分辨走向构造、煤层厚度变薄区等异常影响范围。结合这两种探查方法，可避免单一方法分辨能力低的缺点，增加对煤层厚度变化区域的解释精度［6－8］。

本文以淮南某矿1511（3）工作面实际探查应用为例，探讨了利用无线电波透视技术及电法透视两种技术手段，综合判定出煤层厚度等异常区域的方法及其应用效果，为同类地质条件探查分析及煤矿安全高效开采提供技术参考。

2 工程背景

淮南某矿1511（3）工作面开采13－1煤层位于潘集背斜东部倾伏转折端，煤层赋存稳定，走向变化大。走向长度约1200m，倾斜长150m，煤层倾角7－25°，煤层顶部以片、块状为主，底部以粉末状为主，煤厚3．4－5．1m，平均厚约4．4m。13－1煤层结构复杂，底部含1层厚0．17－0．69m的夹矸，且瓦斯含量较高。

根据已掘进情况及资料分析，工作面现已存在13条断层，且主要存在煤层由厚变薄区域。为了进一步探明工作面构造及地质异常体的赋存情况，实际操作中采用综合透视技术进行地质勘探，为工作面回采提供技术参考资料。

3 无线电波透视

3．1 工作原理

无线电波透视法，又称阴影法，是利用钻孔或坑道时，利用无线电波在岩、矿媒质传播过程中观测到的一些现象，来探测地下目标物的一种方法。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率、介电常数）的不同，对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗，使接收巷道中的电磁波信号十分微弱甚至接收不到透视信号，形成所谓的透视异常或阴影区。这就是无线电波透视CT的基本原理。

现场数据采集通常采用透射观测系统，通过发射点与接收点的交叉覆盖，可以完成对工作面全覆盖观测。根据探测目的和现场实际情况，无线电波坑透在回风巷、运输巷巷道内分别发射和接收。

3．2 工作布置

图1为现场布置图，其中在机巷共布置15个发射点，对每个发射点在风巷接收13个实测场强值。在风巷布置15个发射点，对每个发射点在机巷接收13个实测场强值。发射点间距为75m，接收点间距8m。本次采用高频0．965MHz进行数据采集，目的是提高对目标体的分辨率，数据采集质量好。

图1 无线电透视射线分布图

4 直流电透视CT

4．1 工作原理

直流电透视法即将供电电极A（或AB）和测量电极MN分别布置在采煤工作面相邻巷道中，采用直流供电，通过测量MN间的电位差，探究两巷道间工作面内及围岩中的电场分布规律，用于测量工作面内部及其顶底板岩层内的含水导水构造异常。现场通常依据无线电波透视结果，选择复杂区域进行重点探查。

4．2 工作布置

图2为直流电法透视技术测线布置示意图。为了获得有效电位数据，现场将电极布置在煤层中，并将无穷远电极置于对面巷道。现场共利用48个电极，电极距为5m。分两站进行数据采集，运输巷布站时其无穷远电极置于对面回风巷，回风巷布站时其无穷远电极置于对面运输巷，保证了供电电场的有效性，其数据采集质量良好。

本次现场探测区域为工作面切眼往外370m，倾向长度150m，该段工作面宽度较大，无线电波坑透圈定的异常范围大，既有煤层变薄带，又有已知和隐伏断层分布，地质条件较复杂，通过探查异常重合区域，进一步判别该区域的异常体特征。

图2 电法透视技术测线布置示意图

5 综合探测分析

5．1 无线电波透视CT结果

利用无线电波透视CT软件对阴影数据进行加工处理，获得实测场强衰减及吸收系数图。

图3为整个工作面的无线电坑透场强衰减特征分布。可得，在100～150m、420～520m及950～1100m区段表现为显著的低场强值特征，电磁波在该区区段穿透能力弱，其中100～150m段岩石吸收系数值总体较高，与巷道揭露断层有关。而在780～840m段，岩石吸收系数值相对较高，该范围巷道揭露断层有关。其中1000～1100m段，岩石吸收系数值相对较高，该范围可能预示着巷道断层的存在。

图3 无线电波透视场强衰减分布及异常判断

综合图3以及上下顺槽地质状况，圈定了3个异常区。

1＃异常区为断层影响区，该异常区范围在回风顺槽可能存在断层，F15113－5（H＝1．8m）对该异常区的展布起控制作用。该范围沿煤层走向影响范围约130m，沿倾向影响长度约150m；

2＃异常区为断层异常区，该异常区范围在回风顺槽存在断层，F15113－3（H＝2．0m）对该异常区的展布起控制作用。该范围沿煤层走向影响范围约100m，沿倾向影响长度约110m。

3＃异常区为断层异常区，该异常区范围在回风顺槽揭露断层，F15113－2（H＝0．3～0．6m）对该异常区的展布起控制作用。该范围沿煤层走向影响范围约40m，沿倾向影响长度约135m。

图4 电法透视CT视电阻率反演结果

5．2 直流电法透视

图4为直流电法透视段反演电阻率分布图，其中电性分布差异表征煤层的分布特征。根据图4可得，在1000～1100m区段视电阻率明显较低，阻值为9～15Ω，由此可在无线电透视（即阴影法）的结果基础上进一步圈定了异常区的范围，对煤层变薄区域进一步细化。

经工作面现场回采证实探测解释的3个异常区域与煤层变薄区域在空间位置上较好地吻合。其中1号异常区为断层构造及煤层变薄带，且明显富水，综合判断结果与实际揭露一致。

5 结 论

（1）无线电波透视及直流电法透视法综合探测技术能揭露上下顺槽面内煤层地质条件，可对工作面内构造进行有效探查分析，效果良好。

（2）现场应用结果表明，无线电波透视适于面宽较大工作面、巷道较长的地质探查，具有快速施工、操作简便、分辨率高等特点，能对整个工作面内构造进行普查。

（3）对于工作面地质构造复杂区域，可以采用直流电透视等方法进行重点探查，获得对煤层变薄区等异常的判断。

（4）对于走向断层、煤层变薄区等异常的判断标准还需深入研究，如无线电波透视中判断异常的吸收系数、直流电透视判断电阻率等标准，这对提高解释精度具有重要的作用。通过及时收集工作面回采过程中的煤厚等地质资料进行统计，总结经验、完善理论，形成科学合理的技术参数，为煤矿安全高效生产提供技术保障。

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