井下綜合物探在礦井防治水中的應(yīng)用

靳吉祥

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

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井下綜合物探在礦井防治水中的應(yīng)用

靳吉祥

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

介紹了運(yùn)用礦井瞬變電磁法及瑞雷波法對亞辰礦28103工作面切眼外幫小窯破壞區(qū)進(jìn)行探測，圈定了富水異常區(qū)以及采空破壞范圍，并進(jìn)行了驗(yàn)證。說明綜合物探技術(shù)在礦井運(yùn)用可行，可以為礦井防治水提供可靠的依據(jù)。

礦井瞬變電磁法；瑞雷波法；富水異常；綜合物探技術(shù)

西山亞辰煤業(yè)有限公司為西山煤電集團(tuán)公司2009年兼并重組礦井，2010年9月19日離石市發(fā)生特大降水，造成亞辰礦周邊多個礦井被淹，礦井南臨的錦瑞煤業(yè)主井標(biāo)高889 m以下全部淹沒。亞辰煤業(yè)28103工作面單位涌水量最大達(dá)到100 m3/h，切眼處最低標(biāo)高為773 m，與錦瑞煤業(yè)主井積水水位落差116 m，切眼外幫承受約11.8 MPa的壓力。為查明28103工作面切眼外幫留設(shè)煤柱寬度、積水范圍是否影響礦井安全生產(chǎn)，亞辰礦決定對28103工作面切眼外幫進(jìn)行綜合物探工作。

1 概 況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

亞辰礦大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地的東部邊緣，興縣～石樓南北向褶帶中段東側(cè)，總體上是1個向北西傾斜的單斜構(gòu)造。在單斜構(gòu)造上又發(fā)育有次級的褶曲構(gòu)造。區(qū)域北部和南部次級構(gòu)造一般幅度不大，表現(xiàn)不明顯，單斜為主體構(gòu)造。井田構(gòu)造簡單，總體上為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角為5°～10°.井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦井主要含水層有奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)灰?guī)r巖溶裂隙含水層、二疊系碎屑巖類砂巖裂隙含水層和第四系松散巖類孔隙含水層。

礦井主要隔水層本溪組底部為一套以泥巖和鐵鋁巖黏土巖為主的地層，夾有砂巖和石灰?guī)r，該層分布普遍，厚度穩(wěn)定，是太原組與下伏奧陶系灰?guī)r之間的重要隔水層，隔水性好。

1.3 工作面概況

28103工作面位于西山亞辰煤業(yè)有限公司井田二盤區(qū)。該工作面開采8號煤層，平均煤厚3.3 m，頂板為石灰?guī)r，平均2.5 m.工作面標(biāo)高710～775 m，皮帶巷和切眼已經(jīng)形成，皮帶巷走向長700 m，切眼長151 m，軌道巷未形成。巷道斷面高約3.5 m，寬約4 m.工作面東鄰28102工作面(已安裝)，南鄰井田礦界，西為實(shí)體煤。

2 井下綜合物探在礦井防治水中的應(yīng)用

2.1 工作原理

2.1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法屬于時間域電磁法。它利用不接地回線向采掘空間周圍的煤巖體發(fā)射一次場，通過發(fā)射間歇測量煤巖體中電性不均勻體感應(yīng)產(chǎn)生的二次場隨時間的變化,來查明各種地質(zhì)目標(biāo)體[1].礦井中的富水區(qū)與圍巖明顯的電性差異為礦井瞬變電磁法的應(yīng)用提供了地球物理前提，且在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果[2-5].

2.1.2 瑞雷波法

瑞雷波勘探主要利用了瑞雷波的兩種特性，一是瑞雷波在分層介質(zhì)中傳播時的頻散特性; 二是瑞雷波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性。瑞雷波法依據(jù)激發(fā)震源不同可以分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是通過人為改變震源的激振頻率得到不同波長的瑞雷波在地層表層的傳播速度。瞬態(tài)法是通過錘擊、落重或者炸藥震源，當(dāng)錘子或落重在地層表層產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時，就可以產(chǎn)生一個寬頻帶的瑞雷波，這些不同頻率的瑞雷波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。目前，瑞雷波勘探技術(shù)已經(jīng)廣泛用于煤礦井下，對掘進(jìn)巷道前方進(jìn)行超前探測或者對巷道的頂板、底板以及巷道左右?guī)停欢ǚ秶鷥?nèi)的煤層厚度、巖層厚度、斷層、空洞、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測和預(yù)報[6,7].

2.2 選用儀器及施工方法

2.2.1 礦井瞬變電磁法

選用儀器為福州華虹智能科技開發(fā)有限責(zé)任公司研制的YCS40型瞬變電磁測深儀。

施工方法：以28103工作面切眼和運(yùn)輸巷交點(diǎn)為0號點(diǎn)，點(diǎn)間距5 m布置測線，共計布置測點(diǎn)30個，順層向切眼外幫進(jìn)行探測，工程布置圖見圖1.

2.2.2 瑞雷波法

探測儀器選用西安煤炭科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的YTR(D)瑞雷波探測儀，數(shù)據(jù)處理軟件是專為YTR(D)

圖1 工程布置圖

瑞雷波探測儀配置的。瑞雷波探測的道間距△x應(yīng)視施工現(xiàn)場場地大小來決定。本次探測根據(jù)施工現(xiàn)場條件限制決定選用△x=1 m，探測模式選用超前模式，見圖2.

圖2 瑞雷波探測示意圖

瑞雷波探測共計布置6個測點(diǎn)，點(diǎn)間距25 m，向切眼外幫方向探測，具體見工程布置圖(圖1).

2.3 成果分析

2.3.1 礦井瞬變電磁法

在視電阻率斷面圖上，視電阻率更加直觀，富水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造將呈現(xiàn)較深的顏色，可直觀確定出相對低阻異常體的空間賦存情況和異常的強(qiáng)弱。28103工作面切眼外幫順層探測視電阻率擬斷面圖見圖3.

圖3 28103工作面切眼外幫順層探測視電阻率擬斷面圖

從圖3可以看出，此次瞬變電磁勘探盲區(qū)約15 m.視電阻率值<2 Ω·m的區(qū)域圈定為富水異常區(qū)，2 Ω·m<視電阻率值<4 Ω·m的區(qū)域劃分為弱富水異常區(qū)。

同時，從圖3看出，橫向0～15 m、橫向18～21 m、橫向28～75 m，橫向83～92 m，為4個低阻區(qū)，距巷道切眼外幫最小垂距分別約為 18 m、15 m、18 m和28 m,視電阻率相對較小且與深部溝通，為4個富水異常區(qū)；橫向85～135 m，距切眼外幫垂距為28 m，視電阻率值<4 Ω·m,為弱富水異常區(qū)。

2.3.2 瑞雷波法

瑞雷波數(shù)據(jù)處理軟件是專為YTR(D)瑞雷波探測儀配置的。28103工作面切眼外幫共計布設(shè)瑞雷波測點(diǎn)6個，成果圖見圖4：

圖4 28103工作面切眼外幫瑞雷波探測成果圖

a) 通過觀測圖4a)的同相軸以及它的一致性，該成果圖可以分為3個分層界面，分別位于28103切眼外幫向外11 m處、17 m處和38 m處。

b) 通過分析，圖4b)可以分為3個分層界面，分別位于28103切眼外幫向外10 m處、20 m處和37 m處。

c) 圖4c)可以分為2個分層界面，分別位于28103切眼外幫向外15 m處和40 m處。

d) 圖4d)可以分為2個分層界面，分別位于28103切眼外幫向外20 m處和40 m處.

e) 圖4e)可以分為1個分層界面，位于28103切眼外幫向外26 m 處.

f) 圖4f)可以分為1個分層界面，位于28103切眼外幫向外27 m處.

通過對6個瑞雷波測點(diǎn)最近分層界面進(jìn)行勾繪，推斷出在28103工作面外幫深度10～27 m處有一明顯界面，見圖5.

圖5 瑞雷波推測邊界示意圖

2.4 成果及驗(yàn)證

2.4.1 成 果

1) 通過瞬變電磁探測，在28103工作面切眼外幫方向圈定4個富水異常區(qū)，分別位于橫向0～15 m、橫向18～21 m、橫向28～75 m，橫向83～92 m，低阻區(qū)距巷道切眼外幫最小垂距分別約為18 m、15 m、18 m和28 m,視電阻率<2 Ω·m且與深部溝通；圈定1個弱富水異常區(qū)，位于橫向85～135 m，距切眼外幫垂距為28 m，視電阻率值<4 Ω·m且與深部溝通。

2) 通過瑞雷波探測確定在28103巷道外幫深度10～27 m處有一明顯界面，分析可能為留設(shè)煤柱邊界。綜合物探成果見圖6.

結(jié)合兩種物探方法得出，在28103工作面切眼外幫深度10～27 m處，有1個分層界面，推斷為留設(shè)煤柱邊界，煤柱邊界以外為積水區(qū)。

圖6 綜合物探成果圖

2.4.2 驗(yàn) 證

根據(jù)綜合物探的成果，該礦通過實(shí)地調(diào)查，證實(shí)在28103工作面切眼外幫深度9～30 m有一巷道，巷道位置與探測結(jié)果基本吻合(見圖7).

圖7 實(shí)際驗(yàn)證圖

3 結(jié) 論

1) 通過礦井瞬變電磁法確定了28103工作面切眼外幫富水情況。

2) 通過瑞雷波法確定了28103工作面切眼外幫留設(shè)煤柱寬度、積水范圍。

把兩種不同的物探方法結(jié)合起來用瑞雷波法預(yù)報采空邊界、煤柱邊界，用瞬變電磁法預(yù)報含水情況，實(shí)踐證明對積水范圍進(jìn)行預(yù)報是可行的。這種方法能夠有效地確定含水范圍，為礦井防治水提供可靠的物探資料，從而指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

[1] 劉志新，邱建華，劉仰光.礦井物探技術(shù)在突水預(yù)測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2007,4(1):1.

[2] 姜志海,邱建華,劉志新.礦井瞬變電磁法在老窯水超前探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2007,4(4):291-294.

[3] 尹奇峰，于景邨，潘東明，等.瞬變電磁法在礦井超前探測中的研究與應(yīng)用[G].南昌：第十屆中國國際地球電磁學(xué)術(shù)討論會,2011:294-296.

[4] 劉樹才,劉志新,姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005,34(4):414-417.

[5] 楊 光，陳玉玖，姜志海.小回線源瞬變電磁法在煤礦積水采空區(qū)探測效果分析[J].工程地球物理學(xué)報,2011,8(4):399-402.

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JIN Jixiang

Introduces using mine transient electromagnetic method and Rayleigh wave method to detect small coal mine failure zone outside sides of 28103 working face cutting hole in Yachen coal mine. Rich water anomaly area and damage area are determined and verified. It shows that the integrated geophysical technique is feasible in the coalmine, and can provide reliable basis for mine water prevention and control.

Mine transient electromagnetic method; Rayleigh wave method; Rich water anomaly; Complex geophysical prospecting technique

2016-05-21

靳吉祥(1981—)，男，河南安陽人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事地球物理勘探工作

(E-mail)553264071@qq.com

TD166

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1672-0652(2016)07-0012-04