礦井陷落柱的綜合物探技術(shù)研究

馬 健

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤精通興旺煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037001）

1 煤礦陷落柱概述

煤礦陷落柱是煤田地區(qū)下伏石灰?guī)r中巖溶經(jīng)過不斷發(fā)育以及在自身重力的作用下，覆巖逐漸塌陷產(chǎn)生的堆積物。其相關(guān)特性取決于煤田的實際地質(zhì)特征，陷落柱的存在限制了煤礦的開采效率，威脅著工作人員的生產(chǎn)安全。

陷落柱的形成大都取決于煤田灰?guī)r的情況，由于陷落柱是通過不斷堆積形成的，其內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜并且質(zhì)地十分松軟。在不斷塌陷的過程中，底層沉積層序發(fā)生了較大的變化，因此陷落柱的特征往往與周邊圍巖的特征相差較大。

當(dāng)前，絕大多數(shù)煤礦采用物探的方式對陷落柱進(jìn)行探測。楊德義[1]等人提出一種通過分析地震繞線波特征進(jìn)行陷落柱探測的方案，以斷陷點為目標(biāo)進(jìn)行識別；吳守華[2]等人提出通過對地震剖面進(jìn)行分析研究，根據(jù)不同情況下地震響應(yīng)特征間的差異，實現(xiàn)了高準(zhǔn)確率的陷落柱識別。

眾多學(xué)者采取不同的物探思路對陷落柱特征進(jìn)行探測。物探技術(shù)自身存在一定的缺陷，并且僅依靠物探技術(shù)所得的探測結(jié)果未進(jìn)行檢驗，可能同實際情況存在一定的偏差，造成探測準(zhǔn)確度下降，給礦井的安全生產(chǎn)埋下隱患。依照礦井防治水相關(guān)要求，陷落柱的探測應(yīng)當(dāng)采取物探、鉆探相結(jié)合的方式進(jìn)行。根據(jù)以上需求，本文以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦為研究對象，通過采用不同的物探方式對礦井工作面陷落柱進(jìn)行特征探測，再加以鉆探技術(shù)進(jìn)行驗證，提升礦井生產(chǎn)過程中的安全性。

2 工程面情況及探測技術(shù)

2.1 工作面情況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦6102 工作面長度為550m，寬度為105 m，煤層傾角為7°，煤層儲量較大，煤層均厚為9.82 m，整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，巷道掘進(jìn)的初期并無異常出現(xiàn)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。但是當(dāng)掘進(jìn)至工作面75～85 m 之間時，巷道側(cè)幫出現(xiàn)了一定量的水流，隨著掘進(jìn)的深入，頂板處也出現(xiàn)了一定的淋水，且流量逐漸增大，最大出水量達(dá)到了6 m3/h。為了確保礦井后續(xù)生產(chǎn)的安全性，對該異常區(qū)域采用瞬變電磁以及無線電波透視技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行探測分析，并通過鉆探的方式對物探結(jié)果進(jìn)行檢驗。

2.2 探測技術(shù)

2.2.1 瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁技術(shù)是一種根據(jù)電磁原理對地質(zhì)異常區(qū)域進(jìn)行探測的方法，其優(yōu)勢在于探測過程中無需通過外接線路或者接地線向地質(zhì)異常區(qū)域發(fā)射一次脈沖磁場，而是通過一次脈沖磁場間歇期間產(chǎn)生的二次感應(yīng)渦流場，對被測巖層的電阻變化率特征進(jìn)行分析，根據(jù)電阻變化率特征的不同得出被測巖層的具體構(gòu)造特點。瞬變電磁探測原理如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁探測原理圖

在一次脈沖磁場間歇期間產(chǎn)生的渦流場和被測巖層的電阻率特性間有著緊密聯(lián)系，此外，同種巖層的電阻率也存在一定差異，電阻率的大小往往同巖層的整體性成正比。所測巖層電阻率較高，則該區(qū)域的渦流場較弱；所測巖層電阻率較低，則該區(qū)域的渦流場較強(qiáng)。根據(jù)探測所得渦流場大小對被測巖層的電阻率進(jìn)行判斷，將求得的被測巖層的電阻率特征進(jìn)行分析求解，得出被測巖層的巖性、含水特征以及構(gòu)造特征等。

為了確保瞬變電磁技術(shù)探測的準(zhǔn)確性，該礦引進(jìn)了一臺YROTEMITEM-47 型瞬變電磁儀器，該型號瞬變電磁儀具有穩(wěn)定性強(qiáng)、探測精度高以及環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)勢。

2.2.2 無線電波透視技術(shù)

無線電波透視技術(shù)是一種根據(jù)電磁波對地質(zhì)異常區(qū)域進(jìn)行探測的方法。該方式依靠儀器發(fā)射電磁波，電磁波在被測巖層傳播過程中能量逐漸衰減，由于電磁波在不同巖層中的衰減特性有所差異，因此通過在工作面的不同巷道中分別放置電磁波信號的發(fā)射儀器以及接收器，確保整個工作面都能被CT 掃描覆蓋，電磁波能量衰減異常處在圖像中會呈現(xiàn)為陰影區(qū)域。因此根據(jù)探測圖像陰影區(qū)域的分布確定異常區(qū)域的位置，并對相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行富水特性分析。電磁波透視法工作原理如圖2 所示。

圖2 電磁波透視法工作原理

3 工作面陷落柱探測研究

3.1 無線電波透視技術(shù)研究

無線電波透視技術(shù)采用12～18 次定點覆蓋測量的方式，相鄰電磁波信號接收點間的距離為10 m，相鄰電磁波信號發(fā)射點間的距離為20～60 m，電磁波信號的發(fā)射頻率為0.6 MHz。根據(jù)信號接收結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，6102 工作面迎頭處探測出一處異常區(qū)域。衰減值在-14～-39 dB 間，6102 工作面無線電波透視法場強(qiáng)曲線如圖3 所示。

圖3 6102 工作面無線電波透視法場強(qiáng)曲線

根據(jù)圖3 不難發(fā)現(xiàn)，圖3-1 中曲線為“V”字形，“V”字形曲線表示整個接收點的信號都受到異常區(qū)域的影響；圖3-2 為“半坡”形，“半坡”形曲線表示一側(cè)接收點信號受到異常區(qū)域影響。圖3-3 中曲線為常規(guī)曲線，說明該區(qū)域無異常區(qū)域；圖3-4 中曲線為“小V”形，并且場強(qiáng)均值較小，經(jīng)研究得出結(jié)論是由于接收點周圍巖層電阻率較低造成的。由此可見，異常區(qū)域靠近機(jī)巷區(qū)域，通過曲線分析法以及成像技術(shù)對成像情況進(jìn)行分析可知，61021 巷道迎頭75～105 m 區(qū)域內(nèi)，距煤層頂板20 m 左右處存在陷落柱異常區(qū)域，通過采取相應(yīng)的措施，確保了工作面的順利回采，并且根據(jù)回采結(jié)果，驗證了探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)無線電波透視法對6102 工作面陷落柱的探測結(jié)果可知，中心衰減值在-32～-39 dB 之間，陷落柱的衰減速度大幅增加。由于6102 工作面陷落柱處于工作面中間區(qū)域，因此探測結(jié)果較為可靠。根據(jù)圖3 所示場強(qiáng)曲線間的差異可知，造成曲線差異的原因是接收點和發(fā)射點同陷落柱之間位置存在差異，遠(yuǎn)離陷落柱場強(qiáng)曲線呈現(xiàn)出“V”字形，靠近陷落柱場強(qiáng)曲線為常規(guī)曲線。

3.2 瞬變電磁探測技術(shù)研究

瞬變電磁技術(shù)探測的測點位于工作面61021 巷以及61022 巷之間的工作面切眼處，使用2 m×2 m重合回線，探測方向示意圖如圖4 所示，探測數(shù)據(jù)圖如圖5 所示。

圖4 探測方向示意圖

圖5 探測數(shù)據(jù)圖

根據(jù)圖5 探測數(shù)據(jù)圖不難發(fā)現(xiàn)，勘探體呈拱形體。由于瞬變電磁屬于全空間響應(yīng)，其實際勘探體積是以回線為對稱的拱形，探測初期，探測深度較淺，電性變化率較低；隨著探測深度的增加，探測區(qū)域面積也不斷增大，電性變化率逐漸提升。通過探測數(shù)據(jù)可知，距開切眼水平距離52 m 左右處，發(fā)現(xiàn)一處深度20 m 左右的電阻率異常區(qū)域。

4 鉆探驗證

通過鉆探的方式對物探結(jié)果進(jìn)行驗證，在工作面依次設(shè)置3 個鉆孔。3 號鉆孔鉆進(jìn)深度為37 m 及58 m時，依次出水4 m3/h 及22 m3/h；2 號鉆孔鉆進(jìn)深度為42 m 時，出水8.6 m3/h；1 號鉆孔在鉆進(jìn)深度18.9～38.7 m 時不斷出水，出水最大值為26.8 m3/h。無線電波透視異常區(qū)的陷落柱已經(jīng)通過工作面回采的情況加以驗證，根據(jù)鉆探出水情況可知，陷落柱周圍存在富水區(qū)。通過鉆探回采的方式驗證了物探結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對確保礦井開采過程的安全有著重要意義。

5 結(jié)論

1）通過無線電波透視數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，在61021巷距巷道迎頭處75～105 m 范圍內(nèi)，煤層中大約20 m處發(fā)現(xiàn)一個陷落柱異常區(qū)域。

2）通過瞬變電磁數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，在距開切眼水平距離52 m 左右處，存在一個發(fā)育深度約為20 m的電阻率異常區(qū)域。

3）采用鉆探的方式對物探結(jié)果進(jìn)行了檢驗，確保工作面回采過程的安全性。