資源整合礦井掘進工作面綜合探水實踐

曾 泰

(山西煤炭運銷集團 泰山隆安煤業有限公司,山西 忻州 036600)

某公司井田位于河東煤田北部邊緣,構造形態整體為向西緩傾的單斜構造,地層產狀平緩,近南北走向,傾向260°,傾角2°～8°。井田內無大型地質構造、巖漿巖侵入、陷落柱等其他構造,奧灰水水位標高+841.59 m。目前開采的11301工作面開采標高+890 m～+942 m,采區周邊小窯和老窯采空區已基本查明;煤層直接頂為砂質泥巖,厚度3 m～12 m;基本頂為中砂巖、細砂巖,厚度5 m～16 m[1]。

為提前掌握掘進工作面前方老空水患情況,擬采用YDZ(A)型防爆數字直流電法儀和TEMHZ75型礦用瞬變電磁儀對11301掘進工作面進行超前物探。

1 瞬變電磁儀及直流電法儀工作原理

1.1 瞬變電磁儀的工作原理

瞬變電磁法通過不接地發射線圈向被測地質體發射脈沖式電場作為一次場源,激發被測地質體產生二次場,在發射脈沖的間隙通過接收線圈接收二次場產生的響應;通過接收二次場響應數據分析地質體異常差異,通過不同地質體的差異來確定低阻異常區的范圍及異常程度[2]。

1.2 直流電法儀的工作原理

直流電法勘探工作原理是通過不同巖性的電性差異,在巷道內布置供電電極,使得電流在巷道周圍巖層中建立整體空間的穩定電場。電流通過不同的巖層及地質構造時,電流場會發生變化,通過研究這種電流場的變化規律,來確定地下不同礦體及地質構造的形態和規模。

YDZ(A)型防爆數字直流電法儀由一組鋰電池、逆變電路、發射電路、接收電路及其他顯示存儲等部分共同組成。輸出的直流電壓經逆變升壓電路產生70 V或100 V的高壓,經轉化后,通過固定電極(A1、A2、A3)供入大地;同時通過移動電極(M、N)接收感應信號,然后將信號放大并轉換成數字存入存儲設備中,最后通過串口完成數據交換。

2 實例應用

2.1 工程概況

11301工作面位于井田中南部,地質構造簡單,存在小型斷層,落差1.0 m～3.5 m;無其他地質構造。工作面走向長1 297 m,傾向長240 m;開采標高+887 m～+942 m;工作面東部為某鎮辦煤礦老空積水區,老空積水區邊界未實測,僅根據舊小窯少量資料及走訪調查圈定;南部為民采廢棄小窯破壞區,無積水;西部為實體煤,北部為11#煤采區下山大巷,上覆為8#煤采空區,層間距平均35 m。

為了確保11301工作面東部回風順槽安全掘進,從距順槽開口650 m開始,采用瞬變電磁與直流電法相結合進行超前探測,650 m～1 175 m均未發現物探異常區;距巷道開口1 175 m(FW20向正西70 m)時通過瞬變電磁與直流電法超前探測發現前方100 m范圍內存在低阻異常區;瞬變電磁探測到左側橫軸20 m～70 m,縱軸30 m～80 m交匯處為低阻異常區,直流電法探測到迎頭正前方64 m～68 m為低阻異常區。

2.2 11301回風順槽物探設計

2.2.111301回風順槽瞬變電磁物探設計

為探測掘進頭正前方及左前方老空積水及含水構造形態分布情況;同時為測區內驗證性探放水設計提供設計依據。本次探測范圍為距11301回風順槽開口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍。圖1為11301回風順槽瞬變電磁探測布置圖。

圖1 11301回風順槽瞬變電磁探測布置圖Fig.1 Transient electromagnetic detection in 11301 return-air gateway

本次采用2 m×2 m矩形重疊線圈發射和接收信號。在掘進迎頭位置呈扇形布置11個探測點,探測點間距為0.5 m～1.5 m,單個測點以頂板仰角30°、底板俯角30°、順煤層三個方向進行探測。圖2為礦用瞬變電磁探測示意圖。

圖2 礦用瞬變電磁探測示意圖Fig.2 Transient electromagnetic detection in mines

2.2.211301回風順槽直流電法物探設計

為探測掘進迎頭前方老空區分布,導水構造情況及驗證性探放水設計提供依據。本次探測范圍為距11301回風順槽開口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍。具體施工方式為:距掘進迎頭3 m～5 m處固定一組供電電極,命名為A1、A2、A3,測量電極M、N沿巷道底板箭頭方向以5 m～8 m間隔移動,每移動一次測量電極M、N的電阻,測量一次A1、A2、A3的電阻。從而達到通過觀測點電源場的分布特征來分析預測掘進頭前方異常區域的位置分布的目的。圖3為11301回風順槽直流電法探測布置圖。

圖3 11301回風順槽直流電法探測布置圖Fig.3 Direct current detection in 11301 return-air gateway

2.3 超前物探成果及對比分析

2.3.1瞬變電磁物探成果

瞬變電磁超前探測解釋成果示意圖中,藍綠色表示視電阻低阻異常區,紅色表示相對高阻區,其它顏色表示過渡區。

瞬變電磁超前探測在11301回風順槽左前方順層和仰角30°方向均發現1處視電阻率相對低阻異常區，命名為1號異常，見圖4。

4-a 瞬變電磁物探仰角30°方向扇形圖

4-b 瞬變電磁物探順層方向扇形圖

4-c 瞬變電磁物探俯角30°方向扇形圖圖4 瞬變電磁物探扇形圖Fig.4 Sector chart of transient electromagnetic geophysical exploration

2.3.2直流電法物探成果

圖5為11301回風順槽直流電法探測成果圖。解釋成果示意圖中,藍綠色區域表示視電阻率低阻異常區,磚紅色表示相對高阻區,其它顏色表示過渡區。

直流電法超前探測在迎頭前方發現1處異常,1號異常位于迎頭前方64 m～68 m(即FW20點前144 m～148 m)之間,相對視電阻率值介于82 Ω·m～90 Ω·m之間,為低阻異常區。

圖5 11301回風順槽直流電法探測成果圖Fig.5 Direct current detection in 11301 return-air gateway

2.3.3兩種物探成果對比分析

通過瞬變電磁與直流電法兩種物探手段對11301回風順槽開口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍的探測,得到如下成果:瞬變電磁掘進左前方橫軸方向20 m～70 m,縱軸方向30 m～80 m交會區存在低阻異常區,直流電法迎頭正前方64 m～68 m存在低阻異常區。

分析上述成果,在現場施工探測條件一致的情況下,雖瞬變電磁探測范圍為空間扇形,可迎頭正前方并未探測到低阻異常區,僅探測到巷道迎頭左前方順層方向及仰角30°方向的低阻異常區,直流電法探測到迎頭正前方存在低阻異常區。兩種物探成果存在差異性與爭議性。

3 鉆探驗證方案及結論

3.1 鉆探驗證方案(含加密方案)

本著“物探先行,鉆探驗證,化探跟進”的原則,為了確保安全掘進,特針對11301回風順槽開口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍瞬變電磁與直流電法物探低阻異常區進行了鉆探驗證。設計施工方案為:在巷道迎頭向左前方及迎頭正前方異常區布置1組7孔驗證性加密鉆孔,孔1、孔2、孔3沿左前方順層方向布置,設計孔深分別為87 m、107 m、95 m,孔4沿左前方仰角30°方向布置,設計孔深107 m,均探測瞬變電磁低阻異常區;孔5沿迎頭正前方順層方向探測,直流電法低阻異常區,設計孔深68 m;順層孔以該處煤層傾角+2°施工,仰角30°方向鉆孔以+4°施工;若施工過程中鉆孔提前見頂見底,需調整傾角后繼續施工,確保鉆孔在煤層中達到設計深度。若按照設計施工后仍未探測到瞬變電磁低阻異常區,在原設計的基礎上設計孔深均增加至120 m,同時施工加密孔,孔7、孔8,設計參數與孔1、孔3一致。圖6為11301回風順槽鉆探驗證施工布置圖。

圖6 11301回風順槽鉆探驗證施工布置圖Fig.6 Confirmation construction layout of drilling of No.11301 return-air gateway

3.2 鉆探驗證結論

通過施工鉆探驗證孔,孔1、孔3按照設計施工到位,孔2、孔4出現穿孔情況,調整傾角及開孔高度后進行了二次施工,最終達到設計孔深,但未探測到老空積水區、導水構造等低阻含水體;隨后執行加密方案,孔7、孔8均按設計施工完畢,仍未探測到老空積水區、導水構造等低阻含水體?？?施工至62 m時,鉆孔不返水,停鉆等待30 min,鉆孔中有少量出水(0.5 m3/h),且鉆孔出水逐漸變小(0.1 m3/h),無異味,水質清澈,確定為前方探測到導水構造,與直流電法探測低阻異常區(64 m～68 m)基本一致。

3.3 原因分析

根據驗證性加密鉆探得出上述結論。通過分析兩種物探的技術原理及現場施工干擾因素,得出造成這種結論的主要原因有兩點:一,瞬變電磁受金屬及大型帶電設備干擾較強,現場探測點附近右后方存在綜掘機及機組供電電纜,導致其對稱方向左前方出現大范圍低阻異常區,這是造成物探低阻異常不準確的主要原因;二,直流電法受金屬及大型設備影響較小,主要是由于其受空間影響小,靈活性強,故探測到前方存在低阻異常區位置較準確[3]。

4 瞬變電磁與直流電法優缺點對比

4.1 瞬變電磁技術優缺點

優點:分辨率高,異常響應強,施工簡單便捷,成果直觀明了。

缺點:易受金屬體干擾；井下探測時,綜掘機需遠離迎頭,電纜盡可能斷電,線圈需遠離金屬體；對于皮帶架、支護網片等無法移動的金屬物,盡可能使線圈與它們保持一定的距離。

這些限制條件在井下生產現場大多不可能全部滿足,但上述條件有一項影響,探測成果將會大打折扣,甚至出現誤判誤導,對高效安全的生產作業極為不利[4]。

4.2 直流電法技術優缺點

優點:抗干擾能力強,操作方法靈活簡單,儀器攜帶便捷,探測響應靈敏,受巷道內綜掘機等大型設備影響小,測線端的測量“盲區”短。

缺點:施工效率低,對操作人員技能素質要求較高,需要現場計算測量電阻值,現場剔除錯誤點、高誤差點,裝置復雜,移動電極需帶線移動,且探測長度應與電極線長度一致,不利于在井下巷道移動,易被巷道行人行走時拉扯[5]。

5 結束語

井下物探工作是安全采掘的第一道保護屏障,隨著時代的進步、技術的發展,物探技術也在不斷地推陳出新,由此演變而來的物探新技術也應運而生,但大多新技術換湯不換藥,未從根本上解決物探施工過程中的諸多干擾因素,存在復雜甚至誤導的多解性。

隨著采掘工藝的不斷發展,目前已不乏物探新技術,但缺乏針對性與準確性,希望未來井下物探技術可以向單一針對性、去干擾、去多解性方向發展,切實為煤礦企業解決實際問題。