物探技術在采區陷落柱探測上的應用

徐 偉

（大同煤礦集體有限責任公司地質勘測處，山西 大同 037002）

在煤礦的開采過程中，經常會出現采區陷落柱地質異常體，煤層的穩定性被破壞，也使正常工作面的布置受影響， 給煤礦的安全生產帶來重大隱患。 云崗礦西南區段構造復雜，12-2號煤層的81003工作面位于煤層的南部， 工作面呈南高北低的趨勢，工作面標高為+996～+1 016 m，地面標高為+1 240～+1 308 m。 由于對工作面內陷落柱的位置及影響范圍難以準確把握，因此，需對采區的陷落柱位置及影響范圍等進行探測。 由于通常使用的三維地震探測的方法會出現錯報、漏報的現象，進而提出綜合采用瞬變電磁法和無線電波透視法，提高探測的準確性。

1 采區陷落柱特征

12-2號煤層上距11 號煤層12 m， 下距12-1號煤層5 m，煤層厚度為2～13.83 m，平均煤層厚度6.08 m， 煤層中含有2 層夾石， 平均夾石厚度為0.15 m，煤層傾角一般為3°～5°[1]，煤層直接頂板是中細砂巖，老頂有一層粉細砂巖，水平層理發育，以長石和石英為主，局部夾深灰色泥巖，煤層頂底板見表1。井田內水源主要來自十里河，流域面積有1 185 km2，為第四系孔隙水和砂巖裂隙水，單位涌水量為0.06 L/s.m。 滲透系數0.066 m/d，由于陷落柱結構復雜，導致正常的地層被破壞，從而使得陷落柱與其他正常煤層之間存在差異[2]。 根據陷落柱地表特征，如果沉積地層在縱向按照一定的規律變化，在橫向上比較均勻，則是正常的沉積地層；如果沉積地層出現垮塌， 說明可能有陷落柱的存在，導致該地層及周圍地層產生變化。 根據陷落柱井下特征，在形態上一般是不規則的錐狀，也有可能是柱狀；在水平切向呈直徑不同的橢圓和扁圓，與周圍的圍巖界域明顯，且呈不規則的鋸齒形。 在陷落柱內有大量巖粉、煤粉和粘土，使得充填物的膠結程度差，嚴重的會導致整個煤層被破壞。

表1 煤層柱狀圖

2 探測方案設計

2.1 瞬變電磁法方案設計

根據煤巖層的導電性和導磁性的不同，當煤層內有陷落柱時，如果出現高視電阻率，則陷落柱不導水；如果出現低視電阻率，則陷落柱導水[3]。 因此采用瞬變電磁超前探測法探測時，在允許的作業條件下，設計橫向探測方向，在正前方設置2 個探測點， 在左幫和右幫每間隔15°設置一個探測點，兩幫各6 個，見圖1；設計縱向探測角度，給每一個探測方向的探測點都設置與頂板呈45°方向、與底板呈45°方向、以及在探測點正前方三個角度，見圖2。 對橫向14 個探測點各設置3 個縱向探測角度，得到42 個測點數據。 根據現場的情況，對探測方向和角度進行適當調整，使探測結果更準確。

圖1 橫向探測方向

圖2 縱向探測角度

2.2 無線電波透視方案設計

不同煤巖層有不同的電性特征，對無線電磁波的吸收能力也不相同。 在無線電磁波傳輸過程中，遇到異常界面時，會造成能耗的損失[4]。當巷道有陷落柱時，無線電磁波的能量會大大降低，導致接收巷道接收不到電磁波信號，或接收到的電磁波信號比較弱。 因此采用無線電波透視法探測時，要選擇兩條巷道，采取的方式是雙發雙收，其中一條巷道用來發射，一條巷道用來接收；然后再將發射接收巷道調換，見圖3。 在81003 工作面巷道先發射，共計發射20 個點，每個點的間距是40 m，81005 工作面巷道先接收340 個點，每個點的間距是5 m；然后再在81005 工作面巷道發射，共計發射20 個點，每個點的間距是40 m，81003 工作面巷道再接收340個點，每個點的間距是5 m。

圖3 無線電波透視法

3 探測結果分析

3.1 結果分析

云岡礦81003 工作面在區域內是單斜構造，發育一些寬緩的小型褶曲，且煤層中有不少的斷層和陷落柱。 據已采煤層的情況，礦井內發育有陷落柱，分布散亂，沒有規律，陷落柱部位的巖體遭到破碎，膠結程度不高。 通過采用瞬變電磁法和無線電波透視法相結合，對工作面進行探測。

采用瞬變電磁法，按照上述的方案進行設計施工，得到正前方探測的視電阻率等值線，見圖4。 其中以左右幫的探測深度為橫坐標，分別從斷面中心向兩幫進行探測，以工作面正前方的探測深度為縱坐標，有效探測深度為120 m。 從圖4 可以看出，在探測深度的有效范圍內，大部分區域的視電阻率在20～120 Ω·m，而隨著探測深度的增加，在距工作面60～95 m，在探測前方60°～90°，出現視電阻率高異常區域，形狀類似不規則的四邊形，判斷是陷落柱，陷落柱影響的范圍大約長56°，寬29°。

圖4 正前方探測視電阻率等值線

采用無線電波透視法，按照上述的方案進行設計施工，得到巷道的接收場強曲線及吸收系數反演圖，見圖5。 從圖5 可以看出，在距切眼15～120 m范圍內，有一處異常，其位置場強曲線呈V 字型，吸收系數較小，場強屬于強衰減，判斷是陷落柱，但影響的具體范圍沒法精確測量到。

圖5 無線電波透視

3.2 結果驗證

在對81003 工作面進行綜合探測后，分析認為在探測的 65 m、與探測方向呈60°，陷落柱長軸56 m，短軸29 m，且陷落柱含有少量的水，在探測位置與陷落柱間可能存在圍巖的破碎。 在實際的開采中，在掘進到70 m 時，發現了陷落柱邊緣，且有圍巖破碎，與實際情況比較吻合。

4 結語

為精確探測采區陷落柱位置及其影響范圍，采用瞬變電磁法和無線電波透視法綜合探測方法，得出結論：

1）在瞬變電磁法中，如果顯示視電阻率高異常，在無線電波透視法中，如果接收側巷道接收不到信號或接收信號較弱時， 則判斷是煤層中有陷落柱，且導水性較差。

2）根據瞬變電磁法實驗結果，得出陷落柱區域的視電阻率高于正常巖體的視電阻率，且在等值線圖中呈不規則的四邊形， 探測結果顯示在云岡礦81003 工作面存在陷落柱，且影響范圍大約長56 m，寬29 m。

3）根據無線電波透視法，得出陷落柱區域的吸收系數變化明顯， 且陷落柱的場強一般呈V 字型，出現異常區域的形狀類似矩形。

上述綜合勘探探測結果，判斷的81003 工作面陷落柱，經開采證實，較符合實際。