礦井回采工作面隱伏構造的精細化物探應用研究

張廣寧,李梓毓,焦 陽

(1. 晉能控股煤業集團 趙莊二號井，山西 長治 046605;2.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048006)

現今煤礦生產地質條件漸趨復雜,在實際生產過程中經常會遇到一些隱伏構造,在回采工作面無計劃揭露時對生產銜接會造成非常大的影響,嚴重情況可能會造成較大的人員傷亡和財產損失。因此,礦井回采工作面隱伏構造的精細化分析在當前的煤礦地質工作中就顯得尤為重要。晉能控股煤業集團趙莊二號井位于晉(城)-獲(鹿)褶斷帶南段的韓店至高平間褶斷帶西側,沁水復向斜東側,井田區域內構造主要受新華夏構造體系控制。現開采二疊系下統山西組3#煤層,全井田總的為一走向北北東,傾向北西,傾角5°左右的單斜構造,在此基礎上伴有次級寬緩褶曲和小型斷裂,兩翼傾角8°～15°,主要斷層和褶曲的走向多為北北東向,地質構造較為復雜,且經常存在相互伴生的情況。由于伴生關系的原因,一些回采工作面的布置就會出現已知地質構造附近發育的隱伏構造[1-4]。

趙莊二號井2307回采工作面較為典型,已知斷層的背后發育隱伏陷落柱。在工作面回采之前為了探明構造發育情況以及可能存在的隱伏構造,利用槽波和坑透兩種物探技術進行綜合探測和精細化分析,達到了良好的探測效果,排除了隱伏構造誤揭露所帶來的隱患。槽波地震勘探技術具有傳播距離遠、抗干擾能力強、異常分辨率較高等優點,近年來槽波地震勘探已逐漸成為回采工作面構造探測的主流技術。槽波勘探對各類構造探測均有效果,但該技術單一分析構造類型難度較大。礦井坑透(無線電波透視)探測技術已較為成熟,普遍用于回采工作面的構造探測,尤其對陷落柱反應靈敏,其抗干擾能力強,但受觀測系統所限,縱向分辨率較低,單一利用坑透技術手段探測,難以精細化探明工作面構造發育情況。

本文利用槽波和坑透兩種探測技術,并結合工作面實際地質情況進行精細化分析,綜合解釋回采工作面的內部構造發育情況。

1 槽波和坑透的探測原理及方法

1.1 槽波透射法

槽波是在煤層中進行激發,由于煤層具有波導性,激發的部分能量經過煤層頂底界面的多次全反射被禁錮在煤層及其鄰近的巖石(煤槽)之中,煤槽中縱波和橫波相互疊加、相長干涉,從而形成槽波[5-7]。利用槽波地震透射法勘探時,炮點布置在工作面一條巷道上,檢波器布置在工作面的另一條巷道上,用以接收來自炮點激發的槽波透射信息。在對槽波原始數據進行分析處理后,根據槽波的振幅進行拾取,利用振幅衰減系數迭代計算進行CT成像[8],找到透射勘探中振幅衰減異常區域并解釋分析,如圖1所示。

槽波地震透射法主要分為速度CT成像和能量衰減系數CT成像兩種。在以往槽波地震勘探中通過利用槽波頻散的特征,在合適的頻率中拾取槽波的旅行時,實現速度反演CT成圖,利用槽波的高低速異常來對工作面內地質構造進行分析。實際探測研究中發現,在客觀條件上存在諸多因素會影響到利用槽波速度CT成像分析工作面構造的探測準確程度。例如，不同煤層的物理力學性質、煤層夾矸、煤層頂底板巖性的差異以及不同段位雷管的延遲對數據處理的影響等,都會使槽波的速度分析準確性降低。通過利用槽波能量衰減系數CT成像技術,則可以較好地避免這些客觀因素的影響,提高工作面槽波透射探測的準確性[9]。

1.2 坑透法

無線電波透視法簡稱為 “坑透法”, 是指井下電磁波在地下巖層中傳播時,由于各種巖石、礦石電性的不同,導致對電磁波能量的吸收不同,低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用,當電磁波前進方向遇到斷裂構造界面時,將在界面上產生反射和折射,造成能量損耗的一種電磁波透視方法。井下電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其他構造時,電磁波能量被吸收或被完全屏蔽,則接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號,形成透視異常,據此對地質異常區域進行推斷和解釋[10]。

坑透法的井下探測方法一般為定點法,在回采工作面兩巷道間進行,發射機相對固定于某巷道事先確定好的發射點位置上,接收機在相鄰巷道一定范圍內逐點沿巷道觀測場強值,又稱定點交會法。一般發射點距50 m,接收點距5 m,如圖2所示。

圖2 坑透法探測原理示意圖Fig.2 Detection principle of pit penetration geophysical prospecting method

2 趙莊二號井2307回采工作面探測

趙莊二號井2307工作面回采3#煤層,走向長1 200 m,傾斜長180 m。工作面地面標高+958～+973 m,3#煤層底板標高+461～+495 m,煤層厚度3.8～5.1 m,平均煤層厚度4.35 m,煤層傾角為1°～5°,直接頂為粉砂質泥巖、細砂巖,直接底為泥質粉砂巖。工作面順槽巷道掘進過程中,揭露了2條斷層,分別為23072巷F125和23071巷F126。F125揭露斷距為1.5 m,傾向128°,傾角60°;F126揭露斷距為3.7 m,傾向126°,傾角50°。為查明工作面內部構造發育情況,從而開展了槽波和坑透探測。

2.1 槽波透射探測方案

采用槽波透射法進行勘探,設計探測長度為1 200 m,槽波透射勘探觀測系統如圖3所示,共設有60個檢波器孔,孔間距20 m，60個炮孔,孔間距20 m。

圖3 2307工作面槽波觀測系統設計方案Fig.3 Design of in-seam wave observation system of 2307 working face

2.2 坑透探測方案

坑透探測在回采工作面兩條巷道進行,采用一發一收方式施工,即一條巷道接收,另一條巷道發射。在23071巷和23072巷分別設發射點24個，發射點間距50 m,同時分別設接收點240個，接收點間距5 m，如圖4所示。

圖4 2307工作面坑透觀測系統設計方案Fig.4 Design of pit-penetration prospecting observation system of 2307 working face

2.3 槽波和坑透原始數據分析

圖5和圖6為2307工作面槽波透射的兩個較為典型的單炮記錄。圖5為第30炮的單炮記錄,可以看出槽波信號強、相位清晰、能量強、頻率高、主頻區間在110～230 Hz之間。

圖5 槽波透射第30炮單炮記錄圖Fig.5 The 30th shot record of in-seam wave transmission method

圖6為第24炮的單炮記錄,除上述特征外,在35-60炮出現了槽波振幅的劇烈衰減,信號近乎消失,說明這些射線穿過了破壞煤層連續性的構造區域,檢波器只是接收到了非常微弱的繞射槽波信號。

圖6 槽波透射第24炮單炮記錄圖Fig.6 The 24th shot record of in-seam wave transmission method

坑透原始數據根據每條巷道采集的坑透場強值,形成了兩條巷道接收的實測場強曲線圖(圖7)。圖中標注構造異常反應區域的兩條巷道的場強曲線圖都有較大變化,說明該區域很有可能有地質構造發育。

圖7 坑透實測場強曲線圖Fig.7 Field strength curves measured by pit penetration

2.4 槽波和坑透探測結果

趙莊二號井2307工作面,先后進行槽波地震探測和坑透(無線電波透視)探測,最終圈定異常范圍,并推斷異常性質。

2307工作面槽波數據經原始數據格式轉換、數據導入、地震數據分量篩選、載入觀測系統、數據批處理、頻譜分析、濾波、振幅拾取、衰減系數層析成像進行處理分析[11-12]。在進行槽波透射法處理的過程中,選取了比較有利可靠的參數進行層析成像,最終形成槽波勘探成果圖(圖8(a))。圈定2條斷層(巷道揭露)和1處槽波異常區域。成果圖中,紅黃色區域(暖色區)代表能量衰減較強的區域(異常區)。

坑透數據經原始數據導入、載入觀測系統、生成實測場強曲線圖、SIRT法反演電磁波吸收系數進行處理分析，最終形成坑透成果圖(圖8(b))。圈定1處坑透異常區域,其中藍色調區越深表明其場強值越低,即該段煤層無線電波穿透能力低,屬于潛在的構造異常區。圖8中各段情況反映的結果與實測場強曲線(圖7)結果基本一致。

從圖8可以看出，槽波透射法和坑透法的實際探測結果的主要異常區位置較為吻合,這也說明了探測結果的可靠程度較高,區別在于坑透異常區的縱向分辨率相對受限。

圖8 2307工作面槽波和坑透探測成果圖Fig.8 Detection result by in-seam wave transmission and pit penetration of 2307 working face

3 綜合探測成果探采對比分析

根據槽波和坑透探測成果,并結合工作面實際地質情況進行精細化分析,最終綜合勘探成果圖可知,圖8所示F1和F2均為巷道揭露斷層(F126和F125)。F2斷層在坑透成果中未發現明顯異常,主要是由于其斷距為1.5 m,相對較小,坑透探測異常響應不明顯所致,但在槽波成果中該斷層是有異常響應的;F1斷層兩種成果異常區域較為吻合,對兩種成果綜合分析后對兩條斷層延伸情況進行了推斷。

另外圖8中CBYC1和KTYC1與巷道揭露斷層F126位置吻合,且該斷層斷距3.7 m,工作面煤厚為4.5 m左右,斷距相對較大,初步分析異常即為該斷層的影響,但通過槽波原始數據來看,該區域槽波信號近乎屏蔽,且坑透實測場強曲線呈較為典型的“V”字型和“一”字型曲線,更接近陷落柱的構造響應特征,故最終推斷在該斷層附近可能發育有陷落柱,如圖9中X1所示。依據物探成果的反應特征，在工作面回采前對該區域進行了陷落柱及斷層構造的預測預報,最終回采驗證發現,該區域確實發育有一個大小為60 m×30 m的陷落柱,與探測成果近乎相同,同時巷道揭露的兩條斷層驗證情況也較為吻合,整體綜合物探效果良好。

圖9 2307工作面探采對比成果圖Fig.9 Comparison of exploration and mining results of 2307 working face

綜上所述,本次物探成果在探明已知構造發育情況的前提下,進一步對物探數據進行了精細化分析,結合地質構造的物探響應特征,推斷出了斷層附近隱伏的陷落柱構造,并與實際回采揭露情況相符,對礦井生產起到了良好的指導作用,避免了無計劃揭露陷落柱對工作面回采造成的較大影響,保證了礦井生產的正常銜接。

4 結論

1)回采工作面引進槽波地震勘探技術,并輔以無線電波透視(坑透)技術進行構造探查,可以彌補單一技術手段探測的缺陷,同時多手段技術的綜合精細化探測分析也是現今回采工作面構造地球物理勘探的主流方式。

2)綜合物探成果必須要結合實際的地質情況進行精細化分析,才能對構造類型進行更為準確的推斷。2307工作面在實際探測過程中,專門進行了地質資料的收集整理,對實際揭露的各類地質構造進行了匯總成圖,最終通過與槽波地震勘探和坑透的綜合探測成果進行對比分析,準確地圈定了地質構造區域,并發現了隱伏的陷落柱構造,最大程度避免誤報漏報對礦井安全生產及采掘銜接的影響。

3)針對回采工作面內部可能存在的隱伏構造,不能僅僅依據物探成果圖異常反應區域進行判斷,必須結合整體數據處理過程中的異常響應特征進行推斷,對每步的數據處理流程進行精細化分析,最終準確推斷回采工作面的構造發育情況。

4)利用多種物探手段進行精細化探測分析,一方面可以提高探測準確性,有效指導煤礦安全生產;另一方面可以減少鉆探驗證工程量和不必要的井巷工程。結合已有地質資料和探測成果進行預測預報,避免誤報漏報等情況的發生,這對于礦井生產的指導作用是非常大的。