層透視法在探測采煤工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)用

王聯(lián)合

(陜煤彬長礦業(yè)集團(tuán)公司,陜西省咸陽市,712000)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

層透視法在探測采煤工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)用

王聯(lián)合

(陜煤彬長礦業(yè)集團(tuán)公司,陜西省咸陽市,712000)

介紹了礦井層透視法的探測原理、井下探測技術(shù)及根據(jù)電場的分布規(guī)律,使用地電成像方法計算出工作面內(nèi)部的視電阻或視電阻率的分布規(guī)律,在工作面范圍得到所需要的探測結(jié)果。通過在陜煤黃陵礦業(yè)公司的成功應(yīng)用對礦井層透視法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

層透視法 內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造 正演曲線 探查 應(yīng)用

1 引言

長期以來,不能清楚探明煤礦工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造情況嚴(yán)重影響綜合機(jī)械化采煤的效率、產(chǎn)量、煤質(zhì)、經(jīng)濟(jì)效益等,迫切需要新手段、新技術(shù)觖這些問題。目前,已經(jīng)發(fā)展的礦井物探方法較多,如彈性波CT法、瑞利波法、礦井地質(zhì)雷達(dá)法、礦井直流電法、礦井音頻電透視法、無線電波坑道透視法等。這些方法都有自己的特長,并取得了一些成功的應(yīng)用成果。但隨著綜采機(jī)械化的廣泛采用,采長較大的工作面(大于200 m)越來越多,構(gòu)造越來越復(fù)雜,上述方法已難以適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)要求,因此特別需要能探測較寬工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的新的物探方法。層透視技術(shù)在此方面做了一些成功的嘗試。

2 層透視方法原理

2.1 探測原理

層透視法是礦井直流電法的一個分支,屬于全空間電法勘探,研究沿工作面煤層層面方向上地層電性變化的特征,而獲得地質(zhì)信息的一種物探方法。它以巖石的電性差異為基礎(chǔ),在全空間條件下建場,使用全空間電場理論處理和解釋有關(guān)礦井地質(zhì)問題。

圖1 井下探測裝置布置示意圖

在采煤工作面某一巷道的頂?shù)装宸謩e布置供電電極(A、B)建立特定直流電場,井下探測裝置布置示意圖見圖1,該電場的電流線在煤層附近近似垂直于煤層層面,煤層中的等電位面近似平行于煤層平面,使用測量電極(M、N)順電流線布置(垂直于煤層平面),置于工作面另一巷道的煤層上下界面附近測量該電場的電位差。這樣所測得M、N兩電極之間的電位差正好對應(yīng)于工作面煤層內(nèi)部的影響,因此所測結(jié)果包含了該工作面煤層內(nèi)部的地質(zhì)信息。

2.2 井下探測技術(shù)

該技術(shù)所采用的井下施工技術(shù)為偶極-偶極直流電法探測裝置。工作面層透視法探測原理示意圖見圖2。在測量過程中相對固定供電電極A、B,在另一巷道移動測量電極M、N,在AB-MN最短距離處為中軸線的兩側(cè)呈扇形掃描測量。每移動一次MN,測一組參數(shù)(發(fā)射點(diǎn)號及坐標(biāo)、接收點(diǎn)號及坐標(biāo)、MN間的電位差、供電電流I、MN之間間距)。測量電極分別置于不同的觀測點(diǎn)做扇形掃描測量,測量完畢后移動供電電極(AB)至下一設(shè)計供電點(diǎn),重復(fù)以上步驟,直到測量完所有設(shè)計的觀測點(diǎn)。然后交換AB、MN的位置按上述步驟重復(fù)測量。

圖2 工作面層透視法探測原理示意圖

2.3 解釋方法

根據(jù)電場的分布規(guī)律,使用地電成像方法計算出工作面內(nèi)部的視電阻或視電阻率的分布規(guī)律,展現(xiàn)在工作面范圍內(nèi)便得到所需要的探測結(jié)果。

2.3.1 計算公式

式中:ΔUMN——測量電極M、N之間的電位差, mV;

I——供電電流,mA;

LAM——供電電極A與測量電極M之間直線距離,m;

LAN——供電電極A與測量電極N之間直線距離,m;

LBM——供電電極B與測量電極M之間直線距離,m;

LBN——供電電極B與測量電極N之間直線距離,m。

2.3.2 平面成圖方法

一般借助于電位測量確定視電阻率的變化,視電阻率的變化取決于地層的非均勻性。將此非均勻性按一定規(guī)則用平面圖表現(xiàn)出來,就是該工作面地電成像平面結(jié)果。

3 正演曲線及其特點(diǎn)

在三層地電條件下的地電模型見圖3,ρ1為60 Ωm,ρ2為600Ωm,ρ3為60Ωm(ρ為電阻率),煤厚h為5 m,工作面寬L為300 m時,其視電阻率理論曲線如圖4(縱坐標(biāo)為視電阻率,橫坐標(biāo)為沿巷道測量的測點(diǎn)坐標(biāo))。

4 應(yīng)用

4.1 概況

黃陵一號煤礦系陜西陜煤黃陵礦業(yè)公司所屬現(xiàn)代化礦井,主采延安組2#煤層。601綜采工作面是六采區(qū)首采面,走向長3000 m,采長200 m。在回采至887 m時,工作面內(nèi)煤層突然缺失,成為巖石地段,回采前方還有多長無煤段未知,嚴(yán)重影響了綜采機(jī)械化生產(chǎn)效率。

為確保601工作面安全生產(chǎn),公司先后組織有關(guān)專家進(jìn)行了一系列分析論證,決定采取主動探測,物探、鉆探、巷探一起上的策略,探明前方無煤段的分布范圍,及時恢復(fù)生產(chǎn),保證回采安全。因無線電波坑透法不能透過該工作面,選用了層透視法,探測工作面前方200～800 m范圍內(nèi)無煤帶地質(zhì)構(gòu)造的平面分布規(guī)律。

4.2 工作區(qū)地質(zhì)概況

井田內(nèi)中生界地層發(fā)育。北部地層出露很少,屬掩蓋區(qū)。南部沿河、溝、谷出露,屬半掩蓋區(qū)。由老至新有上三迭統(tǒng)延長群、下侏羅統(tǒng)富縣組、中下侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組、中侏羅統(tǒng)安定組、下白堊統(tǒng)志丹群、新第三系及第四系地層。

其中,中下侏羅統(tǒng)延安組(J1Y)為井田內(nèi)含煤地層,與下伏延長群、富縣組假整合接觸。一般厚度為114 m,北厚南薄,西厚東薄,北河寨以北厚度大于120 m,以南小于100 m,向斜軸部大于80 m,背斜軸部一般50～70 m,西峪-南峪口無煤區(qū)厚度僅30 m左右。

巖性為黑、灰黑色泥巖與灰、灰白色粉砂巖,細(xì)砂巖互層。含煤4層,自上而下分別為0#、1#、2#、3#煤層。主要可采煤層為2#煤層,位于本組底部。

井下巷道內(nèi)落差在1～2 m小型錯動較多。雖然本井田構(gòu)造簡單、斷層稀少,但影響掘進(jìn)和回采的小型錯動亦不少。

本測區(qū)內(nèi)地層平緩,走向北東東,傾向北北西,傾角2～5°,屬構(gòu)造簡單、斷裂稀少的單斜構(gòu)造。

4.3 地球物理特征

本次勘探的目的層為2#煤層附近地層——中下侏羅統(tǒng)延安組。主要為粗砂巖,細(xì)砂巖,泥質(zhì)粉砂巖,灰、灰白色粉砂巖,細(xì)粉砂巖,灰黑、黑色泥巖,粉—細(xì)粉砂巖,粉砂巖、細(xì)粉砂巖與灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖互層,下部含0#、1#、2#、3#煤層,其中,2#煤層屬變質(zhì)程度不高的肥氣煤,電阻較高,電阻率一般為100～500Ωm左右。在地層沒有被破壞的情況下,電阻率曲線呈現(xiàn)由低到高變化。而當(dāng)?shù)貙佑蓸?gòu)造或采動破壞而充水的情況下,電阻率曲線將發(fā)生明顯的異常變化。

從電性上來分析不同巖性的地層,其一般規(guī)律為:煤層電阻率值相對較高,砂巖次之,粘土巖類最低,即泥巖、粘土巖、粉砂巖等與煤層的導(dǎo)電性差異明顯。這種變化特征的存在,為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用基礎(chǔ)的直流電法探測技術(shù)提供了良好的地球物理前提。

4.4 層透視法探測結(jié)果

(1)布置。601工作面(局部)層透視法視電阻率低阻異常平面示意圖見圖5。該工作面在寬200 m、長600 m的范圍內(nèi)探測了兩次,分別在601回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷各布置60個測點(diǎn),測量點(diǎn)距均為10 m,供電點(diǎn)間距50 m。

圖5 601工作面(局部)層透視法視電阻率低阻異常平面示意圖

(2)測量方法。分別將兩供電電極A、B置于工作面回風(fēng)巷及測量電極M、N置于工作面運(yùn)輸巷的頂?shù)装迳?在測量過程中先相對固定A、B,在另一巷道移動M、N,呈扇形掃描測量。本次測點(diǎn)分布于以AB與MN連線垂直于巷道的軸線兩側(cè)各10個測點(diǎn)(共計21個)。測量參數(shù)為MN間的電位差、供電電流、MN間間距及其各點(diǎn)的平面坐標(biāo)。測量完畢后,移動AB至下一設(shè)計供電點(diǎn)(供電點(diǎn)間距50 m),重復(fù)以上步驟,直到整個工作面測量完成。

然后將AB、MN交換巷道,分別將AB置于工作面運(yùn)輸巷,MN置于工作面回風(fēng)巷,再按上述步驟重復(fù)測量,至測量完整個工作面為止。

(3)物探解釋結(jié)果。根據(jù)采煤工作面的地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)與電性反映的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行物探-地質(zhì)綜合解釋。一般情況下,煤層缺失帶(砂巖層充填)呈低阻反映。

圖5為該工作面視電阻率低阻異常平面圖,在工作面走向600 m范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)2個主要異常區(qū),第一個異常區(qū)異常較大(一級異常),位于890 m～1150 m之間,距工作面沿走向方向掘進(jìn)工作起960 m方向延伸,往新切眼A中部方向延伸。其中,靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)異常幅度較大。該異常區(qū)沿工作面走向長約260 m,沿垂直于工作面走向方向最寬約180 m、最窄約50 m,推斷該異常區(qū)內(nèi)煤層可能完全缺失引起的異常及范圍較大。

第二個異常區(qū)異常較小(二級異常),在1150～1310 m附近,異常幅值相對較小且不連續(xù),推斷該異常區(qū)內(nèi)煤層基本連續(xù)但存在局部變薄現(xiàn)象。

(4)驗(yàn)證。當(dāng)新切眼A掘進(jìn)至第一個物探異常區(qū)時,發(fā)現(xiàn)煤層缺失,礦方只好放棄掘進(jìn);將新開切眼位置移到新切眼B處,當(dāng)掘進(jìn)至第二個物探異常區(qū)時,發(fā)現(xiàn)物探異常區(qū)內(nèi)的煤層由原來的2.6 m變薄為1.5 m左右,且局部頂板含水,與物探結(jié)果吻合。從而順利完成了新開切眼的任務(wù),及時恢復(fù)了生產(chǎn)。

5 結(jié)論

層透視法在探測采煤工作面內(nèi)部的煤層缺失帶分布規(guī)律、含水?dāng)鄬印⒏咚畨簩?dǎo)水突水災(zāi)害性地質(zhì)構(gòu)造等方面有推廣應(yīng)用價值,能為煤礦采煤工作面安全生產(chǎn)提供有價值的地質(zhì)資料。

[1]韓德品,趙鐠,李丹.礦井物探技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009(5)

[2]儲紹良.礦井物探應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1995

[3]王順,聶秀英.利用槽波地震探測技術(shù)對煤礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)測[J].煤炭工業(yè)技術(shù)委員會地質(zhì)分會/中國煤炭學(xué)會礦井地質(zhì)專業(yè)委員會2001年學(xué)術(shù)年會論文集,2001

[4]王錦祥.現(xiàn)代煤田地質(zhì)勘探、煤礦礦井物探及測井新技術(shù)新方法實(shí)用手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 2006

[5]韓德品,石亞丁.采煤工作面內(nèi)和頂?shù)装咫姶┩阜椒〝?shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2000

[6]王劍峻.音頻電透視在煤礦綜采工作面的應(yīng)用[J].中國礦山工程,2008

[7]陳兆平.無線電波透視法在礦井地質(zhì)測探中的應(yīng)用[J].煤炭工程師,1996(1)

[8]李蘭亭,侯吉祥.無線電波坑透探測在大同煤田的應(yīng)用研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2001(5)

[9]湯友誼.無線電波坑道透視構(gòu)造煤的研究[J].煤炭學(xué)報,2002(3)

[10]趙益晨.無線電坑道透視技術(shù)在高陽礦的應(yīng)用效果[J].煤礦現(xiàn)代化,2005(3)

[11]孫吉益.無線電波坑道透視技術(shù)地質(zhì)解析的局限性[J].河北煤炭,2008(3)

[12]李丹,韓德品,石亞丁等.采煤工作面順煤層透視的電法探測方法[J].煤炭學(xué)報,2010(8)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Probing into inner geological structure of coal faces by use of seam penetration

WangLianhe
(BinchangMine-Area Group Co.,Ltd.,Shaanxi Coal&Chemical Industry Group, Xianyang,Shaanxi province 712000,China)

The paper describes the principle of seam penetration and use of this technique in underground detecting,and theway of calculating the pattern of apparent resistance(or resistivity)distribution inside coal faces using geoelectric imaging in accordance with the pattern of electric field distribution. When applied in the face area,itwillproduce results that are desired.A case studyon the successful use of this technique at Huangling Mining groupis presentedtoillustratethetechnique ofseam penetration.

seam penetration,inner geological structure,for ward curve,detect,apply

TD163.1

B

王聯(lián)合(1967-),男,陜西省銅川人,畢業(yè)于華東地質(zhì)學(xué)院物探專業(yè),現(xiàn)在陜西陜煤彬長礦業(yè)集團(tuán)公司從事技術(shù)管理工作。