開元礦業采煤工作面地質構造探查物探方法研究

李敬鵬

（陽煤集團 壽陽開元礦業有限責任公司，山西 晉中 045000）

1 概 況

煤礦采掘活動是一個復雜的過程，涉及到很多方面，井田內開拓、掘進、工作面回采期間揭露地質構造縱橫交錯，直接影響煤礦采掘的進程和效率，對煤礦采掘生產影響重大。因此，煤礦在生產過程中要充分考慮地質構造因素，在工作面設計及回采前提前查清其內部隱伏構造，為工作面的布置及回采措施的制定提供可靠的技術依據。

開元礦業位于壽陽縣城西北約14 km 處，行政區劃屬于壽陽縣平舒鎮和南燕竹鄉管轄，井田面積約28 km2，井田形狀近似長方形，南北長約5.5 km，東西寬約5.0 km，如圖1 所示。開元礦業主采煤層為3、9、15、15下號煤層，本文以該礦9101 工作面和9403 工作面為例，采用無線電波坑透和槽波地震探測技術查明兩回采工作面內地質構造的分布情況。

圖1 開元礦地理位置Fig.1 Geographical location of Kaiyuan mine

2 方法介紹

2.1 無線電波坑道透視

無線電波坑道透視是一種電磁波探測方法，通過研究高頻電磁波在巖石中傳播規律，從而揭示地下構造的一種物探方法。電磁波在地下傳播時，因各種巖石有電性差異，對電磁波能量吸收不同，電阻率低的巖石的吸收作用大。當地下出現各種構造如斷層、陷落柱時，它們對電磁波還具有反射和折射的作用，也會造成電磁波能量的損耗。

研究煤層與各種巖石及地質構造對電磁波傳播的影響所造成的各種異常，從而進行地質推斷解釋，是無線電波坑道透視的物理基礎，如圖2所示。

圖2 無線電波坑道透視發射接收示意圖Fig.2 Diagram of radio wave tunnel perspective transmitting and receiving

2.2 槽波地震

槽波地震是利用在煤層中激發和傳播的導波以探查煤層不連續性的一種物探方法。由于煤的密度和彈性波傳播速度一般小于煤層頂、底板的速度，所以在煤層內激發的槽波大部分能量不能向煤層外部傳播，總是在煤層頂板和底板之間反射和疊加，從而形成了槽波，如圖3、圖4 所示。常用的槽波地震透射法其最大探測距離約為煤層厚度的300 倍。

圖3 透射法探測原理平面示意圖Fig.3 Plane of transmission method detection principle

圖4 透射法探測原理剖面示意圖Fig.4 Profile of transmission method detection principle

3 地質構造探查

3.1 9101 工作面無線電波坑道透視

開元礦9101 工作面為9 號煤綜采工作面，設計走向長400 m，傾斜長150 m，煤層平均厚度約3.4 m，中間含1 層夾矸0.5 m。因工作面較窄，約150 m，采用無線電波坑道透視對工作面內影響幅度大于煤厚的地質構造進行探測，方法選擇經濟實用，滿足實際需求。

9101 工作面坑透工作采用WKT-E 型無線電波坑道透視儀，發射頻率選用0.3 MHz。探測范圍為9101 整個工作面，設計測線長390 m，沿上巷布置發射點9 個、下巷布置發射點7 個，共計16 個。發射點間距約50 m（根據巷道條件適當調整），每個發射點接收15 個點，接收點間距10 m，接收點共計約240 個。

無線電波坑道透視采用實測場強分析法進行處理，這是無線電波坑道透視最基礎的處理方法，原始數據通過錄入及預處理采用專門的軟件繪制出實測場強解析曲線圖，通過對比分析實測場強曲線衰減規律，確定異常的位置和范圍，再結合已知的地質資料進行綜合分析。

圖5 為9101 工作面無線電波坑道透視實測場強解析曲線圖，圖中橫坐標為接收點的位置，縱坐標為實測的場強值。根據此次實測場強信號的強弱，在探測區域內圈定1 處地質構造異常區（K1），如圖6 所示。

圖5 無線電波坑道透視實測場強解析曲線Fig.5 Analytical curve of field strength measured by radio wave tunnel perspective

圖6 無線電波坑道透視圈定異常位置Fig.6 Delineation of abnormal location by radio wave tunnel perspective

K1 異常區位于工作面2～18 號點區域內，該區域內下巷0、6、12 號發射點和上巷0、5、10 號發射點接收數值整體偏低。結合曲線形態及巷道揭露情況分析，在K1 范圍內K1-1 和K1-2 為巷道揭露斷層在工作面內的延伸反應，K1-3 為一隱伏地質構造，結合其曲線形態推測為陷落柱。

9101 工作面回采后，工作面實際揭露情況如圖7 所示。通過對比可知，無線電波坑道透視所圈定地質構造異常區與實際揭露情況一致。

圖7 9101 工作面回采實際揭露情況Fig.7 Actual exposure of No.9101 Face mining

3.2 9403 工作面槽波地震

開元礦9403 工作面為9 號煤綜放工作面，設計走向長700 m，傾斜長177 m，煤層平均厚度約4 m，中間含1 層夾矸0.15 m。因工作面較寬，約180 m，采用無線電波坑道透視無法穿透工作面接收到有效數據，因此決定采用槽波地震透射法對9403 工作面的地質構造進行探測。

根據探測目的，9403 工作面槽波地震探測沿上巷（0～70 號區域） 里幫布設炮點，炮間距20 m，布設35 炮，編號S1～S35；沿下巷（0～70 號區域） 里幫布設檢波點，道間距20 m，布設35 個檢波點，編號G1～G35，測線長度共計700 m。

槽波地震采用正演模擬系統，利用槽波的多種信息，通過多種參數綜合分析，形成有針對性的處理解釋手段，從而有效地識別地質構造異常體。煤層中的異常體在資料中有多種反映，通過繪制槽波地震CT 解析圖并結合工作面的相關地質資料，采用物探、地質解釋方法的聯合對地質異常體進行合理推斷，準確地圈定異常區位置及范圍。

此次槽波解釋以槽波水平疊加為依據，結合巷道內已經揭露的地質情況進行分析，圖8 為9403工作面槽波地震探測CT 解析成果圖，探測區域內圖中顏色代表能量值大小。根據圖8，槽波地震在探測范圍內存在6 處地質構造異常區，記為C1～C6，如圖9 所示，此6 處異常推斷為陷落柱。

圖8 9403 工作面槽波地震CT 解析圖Fig.8 In-seam wave seismic CT analysis of No.9403 Face

圖9 9403 工作面槽波地震工作布置及成果Fig.9 In-seam wave seismic working arrangement and results of No.9403 Face

9403 工作面回采后，工作面實際揭露情況如圖10 所示。通過對比可知，槽波地震所圈定地質構造異常區（C1 ～C5） 與實際揭露情況基本一致。

圖10 9403 工作面回采實際揭露圖Fig.10 Actual exposure of No.9403 Face mining

4 結 論

（1） 地質構造是影響煤礦工作面回采的一項重要因素，在工作面回采前有必要提前查清其內部構造。無線電波坑道透視是一種在煤礦被廣泛認可的可靠的物探手段，也是應用最為廣泛的地質構造探測手段，其設備輕便、施工效率高、成本低。隨著大型工作面（采寬在150 m 以上） 在煤礦被越來越多的設計和布置，無線電波坑道透視由于受生產及客觀條件的限制，探測精度往往不盡人意，甚至不能達到探測目的。而槽波地震是地質探測中最具發展潛力的探測技術，近年來日趨成熟，已成為探測小斷層、陷落柱等地質異常體精度最高的技術。在煤礦實際生產中,無線電波坑道透視和槽波地震技術的應用為煤礦地質異常探測提供了更多的探測手段和技術方法，同時對煤礦的安全生產也具有重要意義。

（2） 以開元礦業9101 工作面和9403 工作面為探查對象，根據2 個工作面的實際情況，分別采用無線電波坑道透視和槽波地震兩種物探方法準確地探查出了斷層和陷落柱等地質構造，及時指導了工作面的布置及回采，保證了工作面安全高效開采。