電磁-無線-鉆探協(xié)同技術(shù)在工作面水害探查中的應(yīng)用

秦勝君,徐安全,王心兵

(1.北京探創(chuàng)資源科技股份有限公司,北京 110000; 2.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心,山東 濟(jì)南 250000)

工作面水害是煤礦開采過程中常見的問題之一,水文地質(zhì)條件是導(dǎo)致水害隱患形成和發(fā)展的根本原因[1-2]. 精準(zhǔn)刻畫水文地質(zhì)條件可以有效提高水害隱患探測的準(zhǔn)確性,不僅能明確水害隱患的類型、形成機(jī)理和演化趨勢,而且能指導(dǎo)針對性防治措施的制定和實(shí)施[3]. 因此,尋求一種可靠的方法進(jìn)行水害隱患探測與預(yù)測顯得尤為重要。

鉆探是一種傳統(tǒng)的水害隱患探測方法,通過鉆孔探測進(jìn)行定性和定量分析,以評估水害隱患的范圍和嚴(yán)重程度[4]. 相比于傳統(tǒng)的探測方法,瞬變電磁探測技術(shù)具有非侵入性、高精度、高效率和數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)[5];無線電波坑道透視法無需進(jìn)行地下鉆探,避免了大量的人力和物力消耗,并且可以在較短時間內(nèi)獲取更多的信息[6]. 以上技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的問題,例如精度、復(fù)雜度和耗時等[7]. 因此,提出了一種電磁-無線-鉆探協(xié)同探查技術(shù)。以長城一礦4902S工作面為工程背景,融合瞬變電磁法、無線電波坑道透視法及鉆探等方法,探測4902S工作面煤巖層的富水性情況,以及工作面內(nèi)斷層、隱伏斷層及可能存在的其它地質(zhì)異常體等情況。

1 工作面概況

4902S工作面開采9號煤,是四采區(qū)的首采工作面。煤層平均傾角40°,工作面平均高程約850 m、平均采深約390 m、平均采高3.7 m,9號煤底板整體呈北高、南低狀態(tài)展布,見圖1(a);9號煤煤厚整體呈北薄、南厚趨勢展布,見圖1(b). 9號煤覆巖以砂巖-泥質(zhì)巖類互層結(jié)構(gòu)為主,采用插值方法獲取工作面覆巖內(nèi)砂巖與泥質(zhì)巖類厚度比分布特征,見圖1(c).

圖1 4902S工作面地層條件特征

2 電磁-無線-鉆探協(xié)同探查測點(diǎn)布置方法

2.1 瞬變電磁法探測點(diǎn)布置

瞬變電磁法勘探共布置3條測線,物理測點(diǎn)229個,采集數(shù)據(jù)點(diǎn)1832個,測點(diǎn)布置示意圖見圖2,工作量見表1,分別對工作面內(nèi)幫頂板的90°、60°、30°,同層底板的30°、60°以及工作面外幫頂板的60°、30°這8個方向上的每個物理點(diǎn)進(jìn)行探測(圖3).

表1 勘探工作量統(tǒng)計

圖2 測點(diǎn)布置示意

圖3 探測方向示意圖

2.2 無線電波坑道透視法探測點(diǎn)布置

在瞬變電磁法勘探基礎(chǔ)上,開展無線電波坑道透視定點(diǎn)法進(jìn)行探測,4902S回風(fēng)巷探測起點(diǎn)位于切眼處,向停采線方向布置測線1000 m,發(fā)射點(diǎn)21個,點(diǎn)距50 m,對應(yīng)4902S運(yùn)輸巷接收點(diǎn)210個,點(diǎn)距10 m;4902S運(yùn)輸巷探測起點(diǎn)位于切眼處,向停采線方向布置測線1000 m,發(fā)射點(diǎn)21個,點(diǎn)距50 m,對應(yīng)4902S回風(fēng)巷接收點(diǎn)210個,點(diǎn)距10 m.

2.3 鉆孔探測點(diǎn)布置

為進(jìn)一步探明4902S工作面水害情況,井下施工4個鉆孔,分別在4902S運(yùn)輸巷S33點(diǎn)以南50 m處施工1#孔,26 m處施工2#和3#孔,在4902S回風(fēng)巷R8點(diǎn)以南58 m施工4#鉆孔。1#和2#鉆孔主要是探查工作面頂板巖層富水性,3#、4#鉆孔是針對Ⅰ號相對低阻異常區(qū)的探水鉆孔。具體鉆探參數(shù)見表2.

表2 4902S工作面探水鉆孔參數(shù)

3 工作面水害的協(xié)同探查異常區(qū)劃分

3.1 瞬變電磁法探測異常區(qū)劃分

瞬變電磁法探測所得回風(fēng)巷視電阻率等值線斷面見圖4. 頂板90°探測方向異常區(qū)2處(H1-1、H1-2);工作面內(nèi)幫頂板60°方向異常區(qū)2處(H2-1、H2-2);內(nèi)幫頂板30°方向異常區(qū)2處(H3-1、H3-2);內(nèi)幫順層方向異常區(qū)1處(H4-1);內(nèi)幫底板30°方向異常區(qū)1處(H5-1);內(nèi)幫底板60°方向異常區(qū)1處(H6-1);外幫頂板60°方向異常區(qū)1處(H7-1);工作面外幫頂板30°方向異常區(qū)1處(H8-1).

圖4 4902S回風(fēng)巷視電阻率等值線斷面

4902S運(yùn)輸巷視電阻率等值線斷面見圖5. 頂板90°探測方向劃分異常區(qū)2處(J1-1、J1-2);工作面內(nèi)幫頂板60°方向異常區(qū)1處(J2-1);內(nèi)幫頂板30°方向異常區(qū)2處(J3-1、J3-2);內(nèi)幫方向順層異常區(qū)2處(J4-1、J4-2);內(nèi)幫底板30°方向異常區(qū)2處(J5-1、J5-2);內(nèi)幫底板60°方向異常區(qū)2處(J6-1、J6-2);工作面外幫頂板60°方向異常區(qū)2處(J7-1、J7-2);外幫頂板30°方向異常區(qū)2處(J8-1、J8-2).

圖5 4902S運(yùn)輸巷視電阻率等值線斷面

4902S切眼視電阻率等值線斷面見圖6. 頂板90°探測方向劃分異常區(qū)1處(Q1);內(nèi)幫頂板60°方向異常區(qū)1處(Q2);內(nèi)幫頂板30°方向異常區(qū)1處(Q3);內(nèi)幫順層方向異常區(qū)1處(Q4);內(nèi)幫底板30°方向異常區(qū)1處(Q5);內(nèi)幫底板60°方向異常區(qū)1處(Q6);外幫頂板60°方向異常區(qū)1處(Q7);工作面外幫頂板30°方向異常區(qū)1處(Q8).

圖6 4902S切眼視電阻率等值線斷面

3.2 無線電波坑道透視法層析成像分析

通過對4902S坑道透視數(shù)據(jù)的處理分析,得出工作面初始場強(qiáng)28 dB,吸收系數(shù)-0.46 dB/m. 根據(jù)所選定參數(shù)進(jìn)行回歸分析,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理,得出衰減層析成像色塊圖,見圖7,該次探測在4902S共發(fā)現(xiàn)陰影異常3處,命名為①、②、③異常區(qū)。

圖7 4902S無線電波坑道透視衰減層析成像色塊

4 工作面水害的協(xié)同探查結(jié)果

4.1 瞬變電磁法探測結(jié)果

4902S回風(fēng)巷異常區(qū)分析:H1-1、H2-1、H3-1、

H4-1、H5-1、H6-1、H7-1、H8-1異常區(qū)位置相近,均位于4902S回風(fēng)巷400～600 m(切眼為0). 根據(jù)ZK2001鉆孔資料,煤層頂板存在15 m厚的灰白色中砂巖層,煤層底板為砂質(zhì)泥巖,因此推斷該異常為工作面頂板砂巖含水層影響引起,劃為Ⅰ號相對低阻異常區(qū),發(fā)育高度10～50 m;H1-2、H2-2、H3-2異常區(qū)位置相近,均位于4902S回風(fēng)巷680～700 m,主要位于工作面內(nèi)側(cè)頂板探測方向690 m處。

4902S運(yùn)輸巷異常區(qū)分析:J1-1、J2-1、J3-1、J4-1、J5-1、J6-1、J7-1、J8-1異常區(qū)位置相近,主要位于4902S運(yùn)輸巷0～120 m,8個探測方向均有異常反應(yīng),該異常區(qū)異常范圍較大,異常明顯;J1-2、J3-2、J4-2、J5-2、J6-2、J7-2、J8-2異常區(qū)位置相近,均位于4902S運(yùn)輸巷610～690 m,7個探測方向有異常反應(yīng),頂板60°探測方向有低阻趨勢,該異常主體呈狹長條帶狀,分布范圍較小,異常明顯。

4902S切眼異常區(qū)分析:Q1—Q8異常區(qū)位置相近,均位于工作面切眼10～30 m(切眼下端頭為0),主要位于20 m處,工作面內(nèi)外頂?shù)装?個探測方向均有異常反應(yīng)。

綜上,該次瞬變電磁勘探劃分相對低阻異常區(qū)1處(圖8). Ⅰ號相對低阻異常區(qū),位于4902S回風(fēng)巷400～600 m,發(fā)育高度10～50 m. 推斷該異常為工作面頂板砂巖含水層影響引起。

圖8 4902S工作面瞬變電磁成果

4.2 無線電波坑道透視法探測結(jié)果

①號異常區(qū)位于工作面北部,4902S回風(fēng)巷700～870 m、4902S運(yùn)輸巷750～910 m,兩順槽掘進(jìn)期間揭露4條斷層,分別為正斷層195°∠63°H=4.5 m、逆斷層24°∠35°H=4.5 m、正斷層131°∠70°H=1 m、正斷層233°∠60°H=4.5 m,推斷該處衰減異常為斷層構(gòu)造導(dǎo)致,命名為Ⅰ號煤巖層破碎區(qū)。

②號異常區(qū)位于工作面中部,4902S回風(fēng)巷440～470 m、4902S運(yùn)輸巷500～530 m,探測施工時4902S運(yùn)輸巷500～520 m段巷道全巖,520 m處揭露1條正斷層,352°∠58°H=6 m,推斷該處衰減異常為斷層影響造成,推斷其在工作面內(nèi)延展長度為200 m,對工作面回采影響較大。

③號異常區(qū)位于工作面南部,靠近4902S回風(fēng)巷40～130 m,該范圍內(nèi)巷道實(shí)際掘進(jìn)未揭露斷層,在工作面切眼上端頭附近揭露2條斷層,分別為正斷層185°∠40°H=2.3 m、正斷層202°∠50°,推斷該異常為工作面內(nèi)小斷層影響引起,推斷其在工作面內(nèi)延展長度為92 m.

4902S工作面無線電波坑道透視勘探成果分析斷層2條、煤巖層破碎區(qū)1處(圖9).

圖9 4902S無線電波坑道透視成果

4.3 鉆孔探測結(jié)果

4個鉆孔出水量較小,其中1#、2#和4#鉆孔出水量<1 m3/h,3#鉆孔最大出水量3 m3/h,穩(wěn)定2 m3/h,說明前期圈定的低阻異常區(qū)是合理的。綜合分析4902S工作面物探和鉆探成果可以得出:4902S工作面頂板含水層為弱富水或極弱富水。

5 協(xié)同探查技術(shù)綜合評價

該次評價主要集中在電磁-無線-鉆探協(xié)同探查礦山水害隱患工作。

通過對瞬變電磁探測數(shù)據(jù)的處理,繪制出了4902S回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷及切眼不同探測方向的視電阻率等值線斷面圖,識別出一處相對低阻異常區(qū),即Ⅰ號相對低阻異常區(qū),位于4902S回風(fēng)巷400～600 m,高度在10～50 m.

結(jié)合無線電波坑道透視衰減層析成像色塊圖的結(jié)果,判定工作面內(nèi)北部存在一處Ⅰ號煤巖層破碎區(qū),工作面中部存在一條落差為6 m的正斷層,推斷其在工作面內(nèi)的延伸長度為200 m,對工作面回采會產(chǎn)生較大影響;工作面南部有兩條落差不等的正斷層,推斷其在工作面內(nèi)的延伸長度為92 m.

基于瞬變電磁法及無線電波坑道透視法探測成果,施工了3#和4#鉆探驗證及疏放工作。結(jié)果表明前期圈定的物探低阻異常區(qū)的邊界定位比較準(zhǔn)確,證實(shí)了協(xié)同探查的分析方法和結(jié)果的可靠性。

6 結(jié) 論

采用電磁-無線-鉆探協(xié)同探查技術(shù),深入探究長城一礦4902S工作面水害隱患問題,成功地識別和定位了工作面的水害隱患,提高了水害探查的準(zhǔn)確性和可靠性,豐富了電磁-無線-鉆探協(xié)同探查技術(shù)在礦山工作中的應(yīng)用。