綜合物探方法在掘進面前方陷落柱探測中的應用

李賢忠

(汾西礦業雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

我國煤炭賦存范圍廣泛，煤層中發育有以斷層、陷落柱等為主的地質構造。當煤層中發育有陷落柱時會破壞煤層頂底板完整性，給采面正常生產及巷道掘進帶來不利影響[1-3]。同時，陷落柱也是良好的導水通道，當與附近含水層連通時可能會造成礦井出現涌水事故。因此，預測巷道掘進前方陷落柱等地質構造發育情況，并根據預測結果提前采取應對措施，對確保巷道掘進安全具有重要意義。根據有關研究成果發現，將瞬變電磁法、瑞雷波法相結合可實現對陷落柱發育范圍及含水情況的有效探測[4-7]。因此，本文將瞬變電磁法、瑞雷波法用以掘進巷道前方地質構造探測，以便為巷道掘進提供可借鑒參考資料。

1 工程概況

山西某礦開采的井田內陷落柱發育，礦井主采的5煤地質構造復雜，厚度平均3.6 m，為優質動力煤?，F階段礦井布置的506運輸巷沿著5煤底板掘進，該巷道主要擔任5號煤南翼開采時通風、運輸以及行人任務。5號煤層頂底板巖性均為砂質泥巖，附近含水層為頂板灰巖裂隙水含水層，富水量中等。506運輸巷設計掘進長度1 380 m，矩形斷面，采用錨網索噴支護方式。目前已掘進接近800 m，根據已掘巷道揭露的地質構造統計發現，該巷道已揭露多達7個陷落柱，陷落柱內多為破碎的巖塊堆積，中間被泥巖膠結，已揭露的陷落柱均不含水且導水性差。

2 綜合物探現場應用

2.1 瞬變電磁法現場應用

由于煤礦井下空間狹小，受到巷道全空間影響人工激發的電磁場信號會在巷道頂底板形成綜合電磁感應，并形成電流環向周邊逐漸擴散，形成雙煙圈效應。在井下一般采用小型瞬變電磁儀(YSC2000)，該設備具有自動化程度高、體積小、攜帶輕便等優點。根據全空間效應原理并結合該礦掘進巷道巖層賦存特點，將瞬變電磁儀的發射頻率設計為12.5 Hz，疊加次數選擇200次，信號發射采用20匝回路(2 m×2 m正方形)，磁探頭接收電磁信號。為了實現對巷道掘進前方地質賦存情況的精準探測，探測方式選用扇形方式，可實現多角度多方向探測。

將瞬變電磁儀布置在掘進巷道迎頭位置，按照圖1所示角度對掘進前方煤巖體地質構造發育情況進行探測。

圖1 瞬變電磁儀不同角度布置示意圖

2.2 瑞雷波法現場應用

該探測技術是在掘進工作面布置人工震源激發震波信號，在掘進工作面布置檢波器用以接收震波信號，具體震源及檢波器布置位置見圖2。

圖2 震源及檢波器布置示意圖

兩路不同震波信號具有不同的頻率，根據相位差即可計算出震波傳播耗時及傳輸速度，從而對探測范圍內的地質體賦存情況進行預測。 在掘進巷道迎頭布置雷瑞斌儀[(型號YTR(D)]，該設備可同時連接5臺檢波器，實現對掘進工作面前方60 m范圍內的煤巖體賦存情況進行探測。

3 現場應用成果分析

為了確保506運輸巷掘進安全，降低陷落柱等地質構造對巷道掘進影響，礦井決定在采用瞬變電磁法結合瑞雷波法對掘進前方可能存在的對巷道掘進安全帶來影響的地質構造進行探測。選用的瞬變電磁法獲取到的電阻率分布圖像見圖3a)所示，瑞雷波法獲取到的探測結果見圖3b)所示。

從圖3a)可看出，當瞬變電磁儀以30°仰角對巷道掘進前方煤巖體地質構造賦存情況進行探測時，獲取到的視電阻率等值線以發射狀態分布，且視電阻率均高于24 Ω·m，由此判定該探測方向前方煤巖體賦存較為穩定，不存在富水區；當瞬變電磁儀按照90°角度(順巷道掘進方向)布置時，在掘進迎頭前方21 m～55 m范圍有一橢圓形低阻區，視電阻率均在24 Ω·m以內，對比掘進迎頭前方80 m范圍內的視電阻率分布情況可發現，該低阻區內視電阻率變化不明顯，表明探測區域煤巖體富水性差，低阻區為地質構造引起的巖性變化引起；當瞬變電磁儀以30°俯角布置時，在距掘進迎頭21 m～53 m位置存在有一個橢圓形、封閉的低阻區，該低阻區范圍與90°角布置時獲取到的低阻區范圍重疊，分析判定該低阻區為陷落柱。結合在掘進迎頭30°仰角、90°角以及30°俯角三個方向瞬變電磁探測結果發現，在掘進迎頭前方21 m～53 m范圍發育有陷落柱。

圖3 綜合物探成果圖

依據圖3b)發現，在與掘進迎頭相距21 m、53 m有較大振幅的尖峰，表明上述兩個位置附近有煤巖層變化較為明顯的地質構造。

4 鉆探驗證

為了驗證物探探測結果，在506運輸巷掘進迎頭布置3個探測鉆孔，分別按照30°仰角、垂直煤壁以及30°俯角向巷道掘進方向布置，具體布置見第176頁圖4。

具體3個探測孔探測結果見第176頁表1所示。從鉆屑統計結果可判定物探圈定的異常區為陷落柱。后期巷道掘進至該位置時也揭露該陷落柱，同時陷落柱內砂巖塊被泥巖膠結，僅有少量的淋水。表明，文中采用的綜合探測技術探測成果可信度較高，探測成果可指導后續巷道掘進。

圖4 探測鉆孔布置示意圖

表1 探測鉆孔不同鉆進位置鉆屑統計情況

5 結語

綜合物探技術可適應礦井井下狹小空間，將瞬變電磁法、瑞雷波法相結合對506運輸巷掘進前方地質構造進行探測，并采用鉆探方對探測結果進行驗證。結果表明，采用綜合物探方法探測到巷道掘進迎頭前方21 m～53 m存在有不導水陷落柱，鉆探及后續巷道掘進均揭露探測到的陷落柱。表明，文中選用的瞬變電磁法、瑞雷波法相結合的綜合物探方式探測結果具有較強的可信度。