礦井陷落柱的綜合物探技術研究

馬 健

（晉能控股煤業集團地煤精通興旺煤業有限公司， 山西 大同 037001）

1 煤礦陷落柱概述

煤礦陷落柱是煤田地區下伏石灰巖中巖溶經過不斷發育以及在自身重力的作用下，覆巖逐漸塌陷產生的堆積物。其相關特性取決于煤田的實際地質特征，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安全。

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

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

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

2 工程面情況及探測技術

2.1 工作面情況

晉能控股煤業集團某礦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，整體結構較為穩定，巷道掘進的初期并無異常出現，地質結構較為穩定。但是當掘進至工作面75～85 m 之間時，巷道側幫出現了一定量的水流，隨著掘進的深入，頂板處也出現了一定的淋水，且流量逐漸增大，最大出水量達到了6 m3/h。為了確保礦井后續生產的安全性，對該異常區域采用瞬變電磁以及無線電波透視技術相結合的方式進行探測分析，并通過鉆探的方式對物探結果進行檢驗。

2.2 探測技術

2.2.1 瞬變電磁技術

瞬變電磁技術是一種根據電磁原理對地質異常區域進行探測的方法，其優勢在于探測過程中無需通過外接線路或者接地線向地質異常區域發射一次脈沖磁場，而是通過一次脈沖磁場間歇期間產生的二次感應渦流場，對被測巖層的電阻變化率特征進行分析，根據電阻變化率特征的不同得出被測巖層的具體構造特點。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生的渦流場和被測巖層的電阻率特性間有著緊密聯系，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，則該區域的渦流場較弱；所測巖層電阻率較低，則該區域的渦流場較強。根據探測所得渦流場大小對被測巖層的電阻率進行判斷，將求得的被測巖層的電阻率特征進行分析求解，得出被測巖層的巖性、含水特征以及構造特征等。

為了確保瞬變電磁技術探測的準確性，該礦引進了一臺YROTEMITEM-47 型瞬變電磁儀器，該型號瞬變電磁儀具有穩定性強、探測精度高以及環境適應性好等優勢。

2.2.2 無線電波透視技術

無線電波透視技術是一種根據電磁波對地質異常區域進行探測的方法。該方式依靠儀器發射電磁波，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為陰影區域。因此根據探測圖像陰影區域的分布確定異常區域的位置，并對相應區域進行富水特性分析。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 無線電波透視技術研究

無線電波透視技術采用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，相鄰電磁波信號發射點間的距離為20～60 m，電磁波信號的發射頻率為0.6 MHz。根據信號接收結果不難發現，6102 工作面迎頭處探測出一處異常區域。衰減值在-14～-39 dB 間，6102 工作面無線電波透視法場強曲線如圖3 所示。

圖3 6102 工作面無線電波透視法場強曲線

根據圖3 不難發現，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域的影響；圖3-2 為“半坡”形，“半坡”形曲線表示一側接收點信號受到異常區域影響。圖3-3 中曲線為常規曲線，說明該區域無異常區域；圖3-4 中曲線為“小V”形，并且場強均值較小，經研究得出結論是由于接收點周圍巖層電阻率較低造成的。由此可見，異常區域靠近機巷區域，通過曲線分析法以及成像技術對成像情況進行分析可知，61021 巷道迎頭75～105 m 區域內，距煤層頂板20 m 左右處存在陷落柱異常區域，通過采取相應的措施，確保了工作面的順利回采，并且根據回采結果，驗證了探測結果的準確性。

根據無線電波透視法對6102 工作面陷落柱的探測結果可知，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域，因此探測結果較為可靠。根據圖3 所示場強曲線間的差異可知，造成曲線差異的原因是接收點和發射點同陷落柱之間位置存在差異，遠離陷落柱場強曲線呈現出“V”字形，靠近陷落柱場強曲線為常規曲線。

3.2 瞬變電磁探測技術研究

瞬變電磁技術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，探測數據圖如圖5 所示。

圖4 探測方向示意圖

圖5 探測數據圖

根據圖5 探測數據圖不難發現，勘探體呈拱形體。由于瞬變電磁屬于全空間響應，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，探測區域面積也不斷增大，電性變化率逐漸提升。通過探測數據可知，距開切眼水平距離52 m 左右處，發現一處深度20 m 左右的電阻率異常區域。

4 鉆探驗證

通過鉆探的方式對物探結果進行驗證，在工作面依次設置3 個鉆孔。3 號鉆孔鉆進深度為37 m 及58 m時，依次出水4 m3/h 及22 m3/h；2 號鉆孔鉆進深度為42 m 時，出水8.6 m3/h；1 號鉆孔在鉆進深度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的陷落柱已經通過工作面回采的情況加以驗證，根據鉆探出水情況可知，陷落柱周圍存在富水區。通過鉆探回采的方式驗證了物探結果的準確性和可靠性，對確保礦井開采過程的安全有著重要意義。

5 結論

1）通過無線電波透視數據分析結果可知，在61021巷距巷道迎頭處75～105 m 范圍內，煤層中大約20 m處發現一個陷落柱異常區域。

2）通過瞬變電磁數據分析結果可知，在距開切眼水平距離52 m 左右處，存在一個發育深度約為20 m的電阻率異常區域。

3）采用鉆探的方式對物探結果進行了檢驗，確保工作面回采過程的安全性。