綜合礦井物探技術(shù)在探測(cè)陷落柱中的應(yīng)用研究

石向晨 王玉山

（內(nèi)蒙古赤峰地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005）

陷落柱是煤礦開采過程中經(jīng)常會(huì)遇到的一種災(zāi)害性的地質(zhì)異常體，其不僅能夠?qū)γ簩拥倪B續(xù)性造成破壞，而且還容易引發(fā)礦井水患，給煤礦的安全生產(chǎn)造成了很大的威脅。為了能夠在生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，就必須要對(duì)陷落中的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，以此為采用礦井物探技術(shù)來對(duì)其進(jìn)行探測(cè)提供正確的依據(jù)。

一、無線電波透視法技術(shù)原理

由于組成巖層的各種巖、礦石所含有的電性不同，所以，當(dāng)電磁波在地下巖層中間傳播的時(shí)候，被它們所吸收的電磁波能量也不盡相同，通常情況下，對(duì)電磁波的能量吸收的最強(qiáng)的則要屬低阻巖層，當(dāng)電磁波在前進(jìn)方向上遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時(shí)，則會(huì)在出現(xiàn)的界面上產(chǎn)生反射和折射的作用，從而導(dǎo)致自身的能量受到大幅度的消耗。由此可見，在礦井地質(zhì)條件下，如果相關(guān)設(shè)備所發(fā)出的電磁波在穿過巖層的過程中遇到了諸如斷層、陷落柱等構(gòu)造，那么電磁波的大部分能量就會(huì)被其中的底層電阻所吸收，從而導(dǎo)致其波能量無法順利達(dá)到接收端，由此造成透視異常區(qū)的形成。

通過對(duì)介質(zhì)中某點(diǎn)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，我們可以看出，實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)的值是隨著發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的直線距離的變化以及決定與工作頻率、介質(zhì)電阻率以及介電常數(shù)等參數(shù)的介質(zhì)吸收系數(shù)的變化而不斷變化的。由于煤層與頂?shù)装鍘r石介電常數(shù)有比較大的差異，然而導(dǎo)磁率的變化又很小，因此，決定與工作頻率等參數(shù)的介質(zhì)吸收系數(shù)以及實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)的值就會(huì)在煤層與巖層交替的時(shí)候出現(xiàn)特別明顯的變化。同時(shí)，煤層對(duì)頂?shù)装鍘r層來說是一種波導(dǎo)介質(zhì)，在這種情況下，若其厚度發(fā)生了變化，其波阻抗也就會(huì)隨著改變，從而也會(huì)引起決定與工作頻率等參數(shù)的介質(zhì)吸收系數(shù)以及實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)的值的相對(duì)改變。

二、礦井瞬變電磁法工作原理

礦井瞬變電磁場(chǎng)是一種利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式的非接觸式的探測(cè)技術(shù)。主要是通過在發(fā)射間歇的過程中，對(duì)煤巖體中的由于電性呈現(xiàn)出的不均勻體感應(yīng)的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化而出現(xiàn)變化的情況，通過這種方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地質(zhì)目標(biāo)體進(jìn)行查明。一般情況下，在根據(jù)采掘空間斷面的大小對(duì)發(fā)射和接收回線邊長(zhǎng)進(jìn)行選擇之后，仍然可以采用加大發(fā)射功率和接收回線匝數(shù)的方法來對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)瞬變電磁法順層或者垂直勘探深度的增大。

在電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的均勻各相同性空間，附設(shè)面積為某個(gè)定值的發(fā)射線圈。這種情況下的電流在斷開之前，會(huì)在回線的周圍建立起穩(wěn)定的磁場(chǎng)，若電流突然間中斷，那么其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)隨之消失。這種劇烈變化會(huì)通過巷道四周存在的導(dǎo)電介質(zhì)傳到回線周圍的巖層當(dāng)中，與此同時(shí)，在這些巖層之中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，從而確保在電流斷開之后，磁場(chǎng)仍然存在。但是，在這個(gè)過程中，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的歐姆出現(xiàn)嚴(yán)重耗損的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)沒有很長(zhǎng)的持久性，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速全部消耗。以上所介紹的就是礦井瞬變電磁過程場(chǎng)，存在于這一過程中的電磁場(chǎng)就是巖層中的瞬變電磁場(chǎng)。

通過對(duì)煤系地層的具體研究，我們能夠知道，其自身所存在的導(dǎo)電性特征在橫向和縱向上均有一定的規(guī)律性可言。當(dāng)煤系地層中存在構(gòu)造破碎帶的時(shí)候，如果構(gòu)造之內(nèi)缺乏含水量，那么則導(dǎo)電性能必然會(huì)降低，從而導(dǎo)致局部的電阻率出現(xiàn)增高的情況；如果構(gòu)造之內(nèi)的含水量比較充足，那么導(dǎo)電性能也會(huì)隨著增加，整個(gè)煤系地層之中就相當(dāng)于存在了局部低電阻率值地質(zhì)異常體。因此，當(dāng)煤層頂?shù)装鍘r層中存在斷裂以及陷落柱的等構(gòu)造發(fā)生的時(shí)候，無論其自身是否具有含水量，都會(huì)對(duì)地層電性的變化規(guī)律產(chǎn)生一定程度的影響，從而就會(huì)失去礦井瞬變電磁法探測(cè)的良好的地質(zhì)條件。

三、綜合礦井物探技術(shù)的實(shí)例分析

某煤礦工作范圍長(zhǎng)820m，寬140m。層傾角小于10°。煤層的賦存相對(duì)來說比較穩(wěn)定，煤的形狀主要以碎塊狀為主。在對(duì)工作面的掘進(jìn)任務(wù)完成之后，由于沒有揭露工作面切眼較大的含水構(gòu)造異常，從而引起煤層上幫出水，繼而，巷道內(nèi)出席那了大面積的淋水。這種情況下，采用上文中所提到的無線電波透視法和礦井瞬變電磁法2 種技術(shù)相結(jié)合的方式來對(duì)出水段進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)。

在利用無線電磁波透視的方法進(jìn)行探測(cè)的同時(shí)，也要采用礦井瞬變電磁法對(duì)含水性的地方進(jìn)行準(zhǔn)備的位置定位，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置的時(shí)候，應(yīng)該在工作面風(fēng)巷之間的輔助巷道著手，工作裝置應(yīng)該選擇為2 米乘2 米重疊回線組合的方式，并且要將其與工作面的側(cè)幫進(jìn)行靠近。礦井瞬變電磁法和無線電磁波透視法對(duì)該地質(zhì)異常的反映基本一致，根據(jù)已知的相關(guān)地質(zhì)資料該異常區(qū)解釋為陷落柱構(gòu)造。為了確定異常范圍和特征，在井下巷道不同位置布置了5 個(gè)鉆孔，根據(jù)鉆孔出水點(diǎn)位置和巖芯取樣情況綜合分析，含水異常體為半徑為40 m 左右的陷落柱，發(fā)育位置距離輔助軌道下山巷道50 m 左右。鉆探結(jié)果與礦井瞬變電磁法和無線電磁波透視法探測(cè)結(jié)果完全吻合。

四、結(jié)語

通過實(shí)例，我們能夠看出，物探技術(shù)具有探測(cè)能力強(qiáng)、效果高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。正是憑借著自身的這些諸多優(yōu)點(diǎn)，使得物探技術(shù)在探測(cè)陷落柱的工作中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了能夠使探測(cè)的結(jié)果更具有說服力，在對(duì)陷落柱進(jìn)行探測(cè)的過程中，還應(yīng)該采用有效的綜合物探的探測(cè)方式，從而減小探測(cè)誤差，最大限度的實(shí)現(xiàn)煤礦安全的生產(chǎn)需要。

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