礦井坑透技術及音頻電透技術綜合探測復采區域技術研究

邢 楷,劉江敏,郝宇軍,王克南,馬志超

(1.晉煤集團技術研究院 物探工程分公司,山西 晉城 048000;2.煤炭科學技術研究院有限責任公司,北京 010000)

工程物探方法能夠快速和大面積普查,已成為探明地下采空區的一項有力的勘探手段,各種物探方法都有自己的優缺點和適用條件,并且常常具有多解性[1]。煤礦復采區域的未知采空區的狀態和性質極其復雜[2],常規的物探手段會受到密集棚支護的強烈干擾[3]。單一的物探手段在復雜地形地質和開采條件下很難確定采空區的分布及其特點,所以綜合物探技術是采空區調查和采空區積水治理的有效手段[4]。

1 探測區域概況

某整合礦井1301復采工作面位于山西組3#煤,由1201進風巷和1202回風巷形成,進風巷探測長度約410 m,回風巷探測長度約400 m,切眼長度為80 m。巷道為密集棚支護,層頂板為粉砂巖,底板為泥巖。工作面內煤層受原老窯破壞較為嚴重。

2 探測原理

2.1 礦井坑透法

無線電波透視法利用電磁波在各種巖層和煤層的電性(電阻率ρ和介電常數ε)的不同,來探測待采工作面內的地質異常體[5]。當在工作面的一側向另一側發射電磁波,若其間存在著低于煤層電阻率的地質構造時,電磁波能量就會被吸收或完全屏敝,使信號顯著減弱或收不到信號,從而形成一個“陰影區”,交換發射機與接收機的位置,測得同一個異常體的“陰影區”,即為所要探測的異常體的位置和范圍。圖1為無線電波坑道透視定點發射與接收范圍示意圖。

圖1 無線電波坑道透視定點法發射與接收范圍示意圖Fig.1 Transmitting and receiving range with radio wave tunnel perspective pointing technique

2.2 礦井音頻電透法

音頻電透法通過一對接地電極把電流供入大地中,而通過另一對接地電極觀測用于計算巖石電阻

率所必須的電位或電位差信息。從電性特征上來分析不同巖性的地層,其一般規律為:煤層電阻率相對較高、砂巖次之、泥巖及頁巖類最低[6](見表1)。即泥巖、頁巖、粉砂巖等與煤層導電性差異明顯。由于煤系地層的沉積序列比較清晰,在原生地層狀態下,導電性特征在縱向有其固定的變化規律,而在橫向上相對比較均一。當存在陷落柱、斷層、裂隙等地質構造,無論其含水與否,都將打破地層電性在橫向及縱向上的分布規律[7]。

表1 一般煤系地層常見巖石電阻率值Table 1 Resistivity value of common rocks in general coal strata

3 施工布置

3.1 礦井坑透法

現場數據采集在回風巷布置發射點,對應每個發射點在進風巷接收11個實測場強值;根據巷道長度確定發射點數量,50 m布置1個發射點,共計10個發射點;10 m布置一個接收點,共計43個接收點;回風巷發射完后,調換發射接收巷道。現場布置圖如圖2所示。

3.2 礦井音頻電透法

音頻電透法是在一條巷道內某點發射,在另一條巷道對應點一定范圍內接收。測點布置與坑透一致。測網密度要求供電點極距50 m、接收點極距10 m。在每個發射點對應的另一巷道扇形對稱區間進行觀測,確保測區內各單元有3次以上發射——接收射線覆蓋,然后交換供電與接收的巷道。

4 探測成果分析

4.1 礦井坑透法探測成果分析

圖3為無線電波透視儀實測場強分布圖,其中藍色調區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低,為潛在的構造異常區。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of testing points

圖3 礦用無線電波透視儀實測場強分布圖Fig.3 Distribution diagram of the measured field strength with radio wave perspective instrument in mines

經過后期1年多的時間里對切眼空巷情況跟蹤回訪,將切眼推進過程中揭露的空巷空區等情況做記錄,結合相關地質資料,繪制出工作面切眼以里300 m范圍內空區空巷的范圍示意圖,如圖4所示。圖中顯示揭露10條空巷及6個采空區。分別命名為空巷1—空巷10,空區1—空區6。

圖4 工作面內空區空巷范圍示意圖Fig.4 Range of empty areas and empty roadways in the working face

結合坑透結果中0 m～300 m范圍內圈定的8處異常區域,在空區空巷范圍示意圖中均能找到相應的位置:1)異常1對應區域為空區空巷圖中的空巷1,因此推斷異常1為空巷1影響所致;2)異常2對應區域為空巷2、空巷3以及空區1,因此推斷為這3處空區空巷共同影響所致;3)異常3對應區域為空巷4、空巷5以及空區2,因此推斷為這3處空區空巷共同影響所致;4)同樣推理,異常4為空巷6與空巷7共同影響的結果;5)異常5為空巷6、空巷7與空區3共同影響的結果;6)異常6為空巷8和空區4共同影響所致; 7)異常7為空巷8、空巷9和空區共同影響所致;8)異常8為空區6影響所致。

4.2 音頻電透法探測成果分析

圖5為音頻電透視法探測平面圖,不同顏色色標表示電阻率的大小,其中藍色表示高電導率值,反映了整個1301工作面區域內部、頂底板空間電阻率融合到同一個層位的平面分布特征,間接反映出整個工作面空間融合到同一層位的巖層含水情況。

圖5 音頻電透探測成果圖Fig.5 Results of audio-frequency perspective electric exploration

探測結果中從切眼400 m處至150 m之間共有4處高導異常。其中異常4、異常3和異常1與巷道掘進過程中實際出水情況吻合較好,1201巷道在170m處時打鉆鉆孔有出水,出水量約3 m3～5 m3;201 m～220 m之間鉆孔有出水,出水量約3 m3;切眼87 m處巷道出水較大,出水量約40 m3～50 m3;異常2處雖然工作面內部沒有出水,但是該區域內巷道外側為岳南煤礦采空區,采空區內有大面積的積水,積水量約為200 m3。

5 結論

礦井坑透法對采空區的反應較為明顯,在探測復采區域采空區上相對其他物探方法具有較為明顯的優勢,尤其對大面積的采空區域反應更加明顯,在探測深度上存在精度偏低等的缺陷。礦井音頻電透法能有效識別探測區域內地質信息,對低阻體反應靈敏且抗干擾能力強,在探測復采區域頂底板及內部富水情況時比其他物探手段更為可靠。復采區域內采空區與礦井水害之間沒有必然的聯系,很難通過單一的手段去同時解決這兩個問題,因此通過兩種或兩種以上綜合物探手段對復采區域進行探測,能夠在很大程度上對采空區、礦井水害等地質災害同時進行預報,排除生產過程中的隱患,為礦井安全生產提供科學有效的依據。

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