不規則工作面綜合物探設計施工方法研究

何繼剛

（冀中能源峰峰集團有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

0 引言

煤礦工作面的布置形式在地質情況較為簡單情況下一般為矩形或近似矩形的形式，以方便支架支設、采煤機回采及其它地質情況要求。但在地質條件較為復雜地區沿斷層等地質構造圈定的工作面、回采三角煤布置的工作面、采掘生產遺留的煤柱工作面，均極大程度會產生不規則工作面，也稱異形工作面。

煤層在掘進完畢形成工作面后，安裝采煤機進行回采之前，為保證安全回采須進行綜合物探設計及施工。綜合物探即是采用2 種以上的物探方法對工作面內部隱伏導、含水構造進行探測。其中無線電波坑道透視和瞬變電磁方法為應用最廣、技術效果最好、最具代表性的物探方法。

1 物探方法原理

1.1 瞬變電磁探測技術

瞬變電磁探測技術首先應用在地面物探，因其具有定向性好、對水敏感等特點，隨應用需求逐漸發展為礦井物探的一種方法。瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律，是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征。

1.2 無線電波坑道透視技術

無線電波坑道透視方法是借助于研究高頻電磁波在巖石中傳播規律，從而揭示地下構造形態的一種物探方法。由于電磁波在煤層中傳播時，不同電阻率的介質對電磁波的吸收不同，電阻率小的介質，對無線電波吸收強，接收到的無線電波強度就小，和理論場強相比較，會形成“陰影區”。根據“陰影區”的情況，就可以判斷出地質異常體的存在。

2 規則工作面物探布置方法

規則工作面（圖1） 的基本形式為矩形或者近似矩形，因其具有良好的回采效率和回采工效，這種布置方式被廣泛應用在全國各個煤礦。

圖1 規則工作面及其物探布置形式Fig.1 Regular working face and its geophysical exploration layout form

無線電波坑道透視在規則工作面施工時一般采用固定單一頻率發射。發射點間隔一定距離布置，并根據發射點位置在對巷呈扇形設置接收點。發射點、接收點位置及間隔依工作面寬度、現場揭露地質構造等確定。

瞬變電磁探測工作在兩巷及切眼處施工時僅需采用垂直巷道方向對工作面進行探測，在切眼和上下巷拐角處施工瞬變電磁超前探測，這滿足了對工作面內外探測的要求。

規則工作面探測角度布置形式如圖2 所示。

圖2 規則工作面探測角度布置形式Fig.2 Regular working face detection angle layout form

3 不規則工作面概況

羊東礦06202（Ⅰ塊） 工作面煤層為二疊系山西組2 號煤（頂層），煤厚5.3 ～6.7 m，平均厚度6 m，煤層穩定，其結構復雜，普遍含1 層夾石，較穩定，頂夾石厚0.05 m，為炭質粉砂巖，距頂板0.5 ～0.6 m。該工作面回采過程中將揭露4 條正斷層，落差1.7 ～4.5 m。其中，對該工作面回采過程中影響大的斷層為F202-24、F202-24 斷層。

06202 （Ⅰ塊） 工作面為大煤煤層工作面，煤層底板標高-18—-50 m，回采前地質及水文地質條件已查明。工作面西南部為6251、6255 采空區，該采空區水文地質條件清楚、簡單，采空區內不存在積水，故不受老空水威脅。根據該工作面兩巷及周邊實際揭露斷層情況，斷層均不導水。斷層實際揭露局部僅有少量滴、淋水現象，水源為大煤頂板砂巖水可逐漸疏干，工作面回采不受斷層導水威脅。該工作面開采范圍內不存在封閉不良鉆孔，故不受封閉不良鉆孔導水威脅。該工作面為淺部2 號煤煤層工作面，位于大青第Ⅳ單元，該區大青灰巖水位穩定在+120 m。工作面煤層距下伏大青灰巖含水層頂面113.4 m，工作面開采最低標高為-50 m。該工作面煤層距下伏奧陶系灰巖含水層頂面150.3 m，開采最低標高為-50 m，近3 a 奧灰水位為+136 m，隔水層底板承受的水壓為3.37 MPa。

4 不規則工作面物探布置形式

4.1 坑透布置形式

坑透探測范圍為06202（Ⅰ塊） 整個工作面。工作面由K1、K2、K3 三個部分組成。工作面內沿06202（Ⅰ塊） 工作面K1 區和K2 區運料巷和溜子道分別布置發射點10 個，共計20 個；沿06202（Ⅰ塊） K3 區左巷和右巷分別布置2 個測點，共計4 個測點。測點間距50 m，每個發射點接收15 個點，接收點間距10 m，接收點共計約300 個。

對比規則工作面，該工作面K1 和K2 區域的寬度變化幅度不大，但相比K3 區的寬度差別幅度較大，而且在K1 ～K2 區，工作面寬度有漸變增加的趨勢，且存在一條已掘聯巷，這些均導致在施工坑透的過程中，必須要避免轉角處探測盲區，在工作面寬度變化較大時更改發射頻率，增加并合理設置發射點等問題。

經研究后，在該工作面K1 和K2 區聯合進行探測；在K3 區和K1 區運料巷0 ～200 m 運輸巷0～120 m 采用1.5 MHz 發射頻率；在K2 大部分區域采用0.5 MHz 發射頻率；在溜子道100 ～150 m 減小發射點距離。對比規則工作面的布置要求，該工作面的坑透設計及施工更加復雜和需要精細化，在拐角及寬度變化較大區域需及時調整發射點、接收點位置及數量，保證數據質量。

4.2 瞬變電磁布置形式

探測范圍為06202（Ⅰ塊） 工作面內部及外圍60 m 范圍。對比分析規則工作面，該工作面巷道的拐角處會產生探測盲區和探測重疊區域；工作面寬度變化大，采用相同的探測角度不滿足探測深度及方向要求。

經研究分析后，設計施工工作面測線布置情況如下。

（1） 在兩巷拐角處及兩巷與切眼交匯處分別布置增加超前4 組，以保證探測范圍內工作面外圍無盲區。

（2） 運料巷0 ～220 m，溜子道0 ～130 m。

運料巷布置測線長度220 m。里幫-35°、-60°，外幫-45°、-75°，測點間距10 m。

溜子道布置測線長度130 m。里幫-35°、-60°，外幫-45°、-75°，測點間距10 m。

（3） 運料巷220 ～380 m，溜子道130 ～350 m，及K3 區域。

運料巷布置測線長度160 m。里幫-30°、-50°、-80°，外幫-40°、-75°，測點間距10 m。

溜子道布置測線長度130 m。里幫-20°、-40°、-70°，外幫-50°、-85°，測點間距10 m。

切眼布置測線長度60 m。外幫0、-45°、-75°，測點間距10 m。

06202 （Ⅰ） 塊不規則工作面及物探布置形式如圖3 所示。 06202（Ⅰ） 塊不規則工作面探測角度布置形式如圖4 所示。

圖3 06202（Ⅰ） 塊不規則工作面及物探布置形式Fig.3 Irregular working face and geophysical exploration layout form in No.06202（Ⅰ） area

圖4 06202（Ⅰ） 塊不規則工作面探測角度布置形式Fig.4 Irregular working face detection angle layout form in No.06202（Ⅰ） area

4.3 物探成果分析

根據數據繪制物探成果圖，經分析圈定1 處地質構造異常（KT1），依據坑透數據圈定；瞬變電磁未圈定異常區。分析為巷道已揭露的H=8 m 斷層向工作面內延伸所產生的影響。

圖5 06202（Ⅰ） 塊不規則工作面物探成果Fig.5 Irregular working face geophysical exploration results in No.06202（Ⅰ） area

5 結語

不規則工作面對比規則工作面在設計施工綜合物探時需要考慮更多因素。在坑透工作時需增加考慮發射點頻率變化，發射、接收點位置調整等；在瞬變工作時需增加考慮因寬度變化導致的探測角度變化，巷道增加的拐角處會產生探測盲區和探測重疊區域，并利用增加小范圍超前來解決。