綜合物探技術在大寬面上覆基巖防治水中的應用

高凱斌

(神東煤炭集團地測公司,內蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

煤礦防治水工作是煤礦安全生產中不可或缺的一環,做好礦井防治水工作能夠有效的預防和減少煤礦突水事故的發生,保障井下職工安全,降低井下器材損耗,為生命安全和財產損失提供了重要保障[1]。近年來,隨著煤礦防治水細則的不斷完善,物探工作成為煤礦防治水中極為重要的一項工程,結合各種物探方法的優缺點,電磁法在礦井物探工作中得到廣泛的使用,其優點是在煤礦開采中能夠最大可能的減小機械化礦井中的各種干擾,提高探測準確度。礦井工作面探測以坑道無線電波透視法、音頻電穿透法最為普遍。坑道無線電波透視法通過增加發射線框的面積和匝數,降低發射頻率,保證有效穿透大寬面工作面;音頻電穿透法采用優化施工布置,增加發射電流,增加接收電極MN極距,保證有效接收感應信號。通過對這2種物探方法的綜合對比分析,提高物探工作的準確性,以期達到大寬面工作面回采前的水害預防。

1 方法介紹

隨著煤礦生產速度的日益加快,礦井深度不斷加深,地質構造條件愈加復雜,采空區范圍逐漸增多,在保證煤礦安全生產的前提下,采用回采工作面礦井物探技術[2]。選取坑道無線電波透視法和音頻電穿透法2種方法相結合的綜合物探方法,通過2種方法相互驗證在寬度300 m以上工作面頂板基巖含水層防治水中的應用。

1.1 坑道無線電波透視法

坑道無線電波透視法又稱坑透法,是指電磁波在煤層或巖層傳播的過程中,如果存在一些地質異常體,由于異常體的電阻率值和介電常數與煤層或巖層存在顯著差異,使得它們對電磁波的能量吸收強度不同,低阻體對電磁波的吸收較強[3-5]。當電磁波前進過程中遇到一些構造界面時,電磁波將發生反射和折射作用,使得部分電磁波能量被吸收,電磁波能量最終被損耗。因此,巷道發射出的電磁波在煤層中傳播時遇到斷層、陷落柱、導水裂隙帶或煤層厚度發生顯著變化時,電磁波能量將被完全屏蔽或吸收,同時在工作面另一端的接收巷道接收到的數據十分微弱或根本接收不到數據,從而產生一種透視異常區[6]?？拥罒o線電波透視法工作原理如圖1所示。

圖1 坑道無線電波透視法工作原理示意Fig.1 Working principle of tunnel radio wave perspective method

1.2 音頻電穿透法

音頻電穿透法屬于交變電磁場法技術,是以巖礦石(包括水)的導電性、導磁性以及介電性差異為基礎,通過對上述物理場時間和空間分布特征的研究來確定查明隱伏地質體或地下水的目的。音頻電穿透屬于其地下層狀全空間電場分布,屬體積勘探,主要用于探測煤層頂板或底板上下一定深度范圍內的富水異常體。礦井音頻電穿透法基礎是一種全空間電場理論[7-8]。由于煤層與頂底板巖層有較大的電性差異,頂底板巖層與煤層相比為高阻層[9]。因此可用井下3層地電模型來模擬上述電性組合特征,如圖2所示。

圖2 井下3層地電模型示意Fig.2 Underground three layers’ geoelectrical model

2 工程應用

2.1 工程概況

以寸草塔二礦22122工作面為例,礦區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內,距伊金霍洛旗約27 km。礦區長約5.15 km,寬約4.55 km,面積約16.5 km2。22122工作面頂部為上覆基巖含水層和第四系松散層含水層,在工作面回采過程中產生裂隙松動或工作面內部存在地質構造形成導水裂隙帶,含水層水可能通過基巖裂隙或地質構造進入工作面,對工作面回采造成威脅。本次物探工程布置在22122工作面,通過坑道無線電波透視法和音頻電穿透法2種相結合的綜合物探技術對比分析,為22122工作面下一步的回采提供有力保障。22122工作面煤層較為穩定,厚度0.9～2.2 m,平均1.6 m。順槽開口至590 m段,在巷道上部出現1層夾矸,開口590 m至切眼段,在巷道下部出現1層夾矸,屬結構簡單煤層。從煤層總體來看,煤層厚度有一定的變化但規律性較明顯,屬于較穩定煤層。22122工作面頂部含水層有2層。一是上覆基巖含水層,厚度約0～30 m,單位涌水量q為0.181 L/(s·m),富水性中等。水質類型為HCO3—SO4～Ca+Mg型水,礦化度為0.319,pH為8.0。二是第四系松散層含水層,上部巖性為砂礫層及中細砂巖層,下部為砂礫與粗砂層,厚度約0～28 m,平均為12 m,含水部分主要為下部粗砂及砂礫層。單位涌水量q為0.009 5 L/(s·m),滲透系數0.098 7 m/d,富水性弱,該層厚度變化較大。水質類型為HCO3—Ca型水,礦化度低。因此,上覆基巖含水層為回采工作面防治水工作的重點。

2.2 工程布置

根據工作面水文地質資料顯示,影響工作面回采的水患主要來自工作面上部垂向含水層,因此用坑道無線電波透視法在工作面兩巷道進行定點法掃描,探查工作面內部構造發育情況,用音頻電穿透法探查工作面上覆巖層的含水情況及工作面內部構造充水情況。

2.2.1 坑道無線電波透視

坑道無線電波透視法探測是從22122工作面切眼到回撤通道方向進行,采用定點法施工,發射點距50 m,接收點距10 m,每個發射點對應接收前后50 m數據。2條巷道交錯施工,探測長度為840 m,如圖3所示。

圖3 坑道無線電波透視法工作面設計方案Fig.3 Working face design scheme with tunnel radio wave perspective

2.2.2 音頻電穿透

本次音頻電穿透布置在寸草塔二礦22122工作面,工作面長840 m,寬為340 m。運輸順槽、回風順槽均進行施工,音頻電穿透法發射點距為50 m,接收點距10 m,采用單頻點施工,頻率為120 Hz。每個發射電極對應20個接收點,接收發射點對應200 m范圍數據。每條巷道布置測量點共85個,檢測點10個,2條巷道共計190個測點,如圖4所示。

圖4 音頻電穿透法施工布置示意Fig.4 Construction layout with audio electrical penetration

3 井下施工

3.1 儀器概況

本次綜合探測采用2種儀器,其中坑道無線電波透視法探測采用YDT-88型儀器,此儀器由福州華虹廠家生產,為便攜式、本質安全型防爆。該型儀器采用雙頻率、小功率、低功耗、微機控制、自動記錄、內存儲,數據由微機自動處理成圖的技術方案。音頻電穿透法探測儀器為煤炭科學研究總院西安研究院研制的YT120(A)型防爆音頻電穿透儀,是一種應用于礦井條件下水文地質條件探查的專用儀器,采用本質安全型防爆形式、供電機具快速過流保護功能、測量精度高、抗干擾能力強。

3.2 數據采集

為增加電磁波的有效穿透性,坑道無線電波透視法采用大分辨率定點法探測[10-11],發射頻率88 K,拋棄原有2 m×2 m發射線框,采用特制3 m×3 m發射線框,增加發射線框匝數。每100 m采樣時間2 min,搬站時間1 min。自工作面切眼開始依次向回撤通道方向接收。對應巷道的一定區段進行扇形掃描接收,探查工作面內煤層中斷層、陷落柱及煤層變薄帶的延展范圍。

音頻電穿透法采用固定發射電極AB,移動測量電極MN法施工,發射巷道50 m布置1個發射電極,共布置17個發射電極。沿發射巷道方向向外延伸800 m放置無窮遠電極1個,接收點對應垂直巷道方向布置接收電極2個。通過井下手搖有線電話進行溝通,依次進行發射和接收,記錄人員記錄每個點位發射和接收對應的電流和電壓值。接收機采集供電點對應前后100 m范圍內的數據。主要探測工作面頂板上方0～60 m深度層段基巖含水層異常區的形態、平面位置及含水性的相對強弱。

4 物探成果分析

4.1 探測工作面環境分析

本次物探施工工作面未進行回采準備作業工作,工作面基礎供電設施較少,工作面兩巷道共發現水泵4處,現場施工時都處于關閉狀態。工作面煤質較差,兩側片幫較嚴重,巷道頂板及兩側幫錨網等鐵器可能對電磁波信號產生干擾?？拥罒o線電波透視法接收數據差值較大,背景值為3 dB左右,排除各項干擾因素,此次坑道無線電波透視法和音頻電穿透法數據均為可靠有效數據,如圖5所示。

圖5 坑道無線電波透視法實測場強曲線Fig.5 Measured field intensity curve by tunnel radio wave perspective

4.2 坑道無線電波透視法成果分析

本次坑道無線電波透視法數據采用CT成像成果解釋,利用ART算法和SIRT算法得到各單元吸收系數值大小,通過反演計算繪制成像區吸收系數等值線圖[12]。結合工作面地質資料分析,坑道無線電波透視法共圈定出4處異常區,分別編號為DC1、DC2、DC3、DC4號異常,如圖6所示。

圖6 無線電波透視法成果圖Fig.6 Achievements of radio wave perspective method

根據無線電波透視法成果圖并結合地質資料對4處異常區段進行綜合推斷分析?？芍?DC1號異常區范圍較大,幅值相對較強,對電磁波造成能量的損耗較大,致使主運順槽接收的電磁波信號十分微弱甚至接收不到透射信號,結合已知的地質剖面圖判斷在工作面切眼內160 m處標志層出現缺失,推測是未揭露斷層引起的異常。DC2號異常區范圍較大,幅值相對較強,探測至此處時電磁波信號發生明顯變化,結合兩順槽地質剖面圖推斷,在切眼開始輔運順槽500 m左右巷道起伏明顯,煤層變薄夾矸增厚,在主運順槽600 m左右夾矸消失,而輔運順槽相同的位置卻無夾矸出現,推測異常區為斷層引起的異常。DC3號異常區范圍較大,幅值相對較強,對電磁波造成能量的損耗較大,結合已知的地質剖面圖判斷,推測異常區是已揭露斷層向工作面內部延伸引起的。DC4號異常區范圍較小,幅值較強,數據接收至此處時由于受DC1號異常區影響,使得原本比較微弱的電磁波信號直接消失。結合已知的地質剖面圖判斷,推測是已揭露斷層向工作面內部延伸引起的異常。

4.3 音頻電穿透透視法成果分析

音頻電穿透法可以探測22122工作面頂板上0～60 m附近層段內巖層有5處異常區,分別編號為YC1、YC2、YC3、YC4、YC5號異常,如圖7所示。

圖7 音頻電穿透法0～60 m成果圖Fig.7 Results of 0～60 m with audio electrical penetration

分析異常可知,YC1位于0～10號測量點(距離22122工作面切眼0～100 m)附近,幅值較強,分析可能為基巖局部含水。YC2位于12～17號測量點(距離22122工作面切眼124～170 m)附近,幅值較強,分析可能為基巖局部含水。YC3位于28～48號測量點(距離22122工作面切眼280～480 m)附近,幅值較強,分析可能為基巖局部含水。YC4位于52～63號測量點(距離22122工作面切眼520～630 m)附近,幅值較強,分析可能為斷層產生導水裂隙帶。YC5位于66～84號測量點(距離22122工作面切眼667～840 m)附近,幅值較強,分析可能為基巖局部含水。

4.4 綜合成果分析

結合無線電波透視和音頻電穿透成果綜合分析可知,無線電波透視法DC2號異常與音頻電穿透法YC4號異常有明顯對應關系,無線電波透視法DC4號異常與音頻電穿透法YC5號異常局部存在對應關系。通過綜合對比分析,推測異常區為斷層產生導水通道。為驗證音頻電穿透法成果準確性,后期對異常區進行鉆探驗證,在異常區范圍內布置鉆孔10個,鉆孔均出水,驗證了音頻電穿透與坑道無線電波透視法探測的準確性。

5 結論

工作面寬度越大,回采工作中產生的不可控因素越多?？拥罒o線電波透視法和音頻電穿透法的綜合應用極大提高了大寬面回采安全性,通過音頻電穿透法探測確定工作面上覆基巖含水層的范圍及平面位置;通過坑道無線電波透視法可以探測確定工作面內部大型地質體形態、分布范圍。2種方法的綜合應用不僅可排除一些假異常體的干擾,同時能夠做到相互驗證,為回采工作面防治水提供可靠保障。