綜合物探技術(shù)在馬蘭礦10608工作面的應(yīng)用

趙瀟輝

（西山煤電 馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦10608工作面走向長(zhǎng)1720 m，傾斜長(zhǎng)216 m，工作面回采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組02號(hào)煤層，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層厚度1.00～2.60 m，平均2.11 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普氏硬度1.7。工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要水患有頂板砂巖含水層水和底板奧灰?guī)r溶水。02號(hào)煤上部6.5m的K4砂巖和K5砂巖為承壓裂隙弱含水層，局部含水較豐富。根據(jù)掘進(jìn)期間涌水情況分析，工作面在回采過(guò)程中預(yù)計(jì)會(huì)有淋滴水現(xiàn)象，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度公式計(jì)算，工作面回采后冒落裂隙帶高度為58m，會(huì)導(dǎo)通上部K4砂巖(平均厚3.0 m)及K5砂巖(平均厚8.0 m)承壓裂隙弱含水層，預(yù)計(jì)正常涌水量2 m3/h，如遇構(gòu)造及裂隙發(fā)育段，頂板淋滴水會(huì)繼續(xù)增大，最大涌水量30 m3/h。工作面底板奧灰水靜水位標(biāo)高+910 m，02號(hào)煤層底板標(biāo)高+874 m～+905 m，施工段全部帶壓，02號(hào)煤至奧灰水界面最小間距175 m。根據(jù)帶壓開(kāi)采宊水系數(shù)公式計(jì)算，工作面最大突水系數(shù)0.0159 MPa/m。工作面共揭露11條斷層，落差0.7～3.0 m，工作面巷道實(shí)際揭露4個(gè)陷落柱，根據(jù)鄰近工程及鉆孔資料分析，工作面中部局部節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面基本平行巷道，受力后節(jié)理面易張開(kāi)，造成底鼓、頂板破碎及瓦斯異常涌出等情況。鑒于10608工作面地質(zhì)條件，需將工作面區(qū)域內(nèi)的富水情況探測(cè)清楚，為工作面安全回采保駕護(hù)航。單一物探方法受其技術(shù)特征限制，難以完全滿足工作面探測(cè)要求。根據(jù)各種物探方法的使用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，綜合應(yīng)用無(wú)線電波坑道透視法和瞬變電磁法對(duì)10608工作面進(jìn)行探測(cè)。

2 測(cè)區(qū)物探方法

2.1 無(wú)線電波坑道透視法原理簡(jiǎn)介

無(wú)線電波坑道透視法是用來(lái)探測(cè)順煤層兩煤巷、兩鉆孔或煤巷與鉆孔之間的各種地質(zhì)構(gòu)造異常體。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于不同巷道或鉆孔中，同時(shí)做等距離移動(dòng)，逐點(diǎn)發(fā)射和接收；或發(fā)射機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定位置，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值。若在煤層中存在異常地質(zhì)構(gòu)造、破碎煤體及富水區(qū)等都會(huì)導(dǎo)致電磁波的能量損耗，出現(xiàn)透視異常區(qū)。該方法可以較好地對(duì)煤層內(nèi)存在的斷層、陷落柱及破碎巖體進(jìn)行探測(cè)，但對(duì)煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)異常探測(cè)有限。

2.2 瞬變電磁法原理簡(jiǎn)介

瞬變電磁法(TEM)通過(guò)不接地回線或接地長(zhǎng)導(dǎo)線供以雙極性脈沖電流，當(dāng)回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次磁場(chǎng)。一次磁場(chǎng)在周圍傳播過(guò)程中，如遇地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流，這種渦流瞬變過(guò)程，在空間形成相應(yīng)的瞬變磁場(chǎng)，又稱為二次磁場(chǎng)。通過(guò)接收線圈測(cè)量二次場(chǎng)空間分布形態(tài)，就可發(fā)現(xiàn)地下異常地質(zhì)體尤其是地下含水層（段）的存在，并確定異常體的電性結(jié)構(gòu)和空間分布形態(tài)。

3 綜合物探方案設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線電波坑道透視方案設(shè)計(jì)

本次探測(cè)工作采用WKT-E型（大透距）無(wú)線電波坑道透視儀。馬蘭礦10608工作面實(shí)際探測(cè)長(zhǎng)度1640 m，皮帶順槽與軌道順槽間寬度約為216 m。經(jīng)井下探測(cè)頻率條件試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)發(fā)射頻率1.5 MHz，接收值較?。ǎ?0 dB）且不穩(wěn)定；0.5 MHz和0.3MHz頻率穿透性較強(qiáng)，接收值穩(wěn)定，兼顧到較高分辨率，故選用0.5 MHz頻率進(jìn)行工作面透視工作。本次探測(cè)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為10m，發(fā)射點(diǎn)間距為50 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn)。10608作面坑透工作在皮帶巷和軌道巷之間進(jìn)行，共布置330個(gè)測(cè)點(diǎn)，66個(gè)發(fā)射點(diǎn)。其中，10608工作面軌道巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為：508～672號(hào)；10608工作面皮帶巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為：8～172號(hào)。點(diǎn)號(hào)都是從巷道入口（停采線）往切眼方向依次增大。圖1中綠色框內(nèi)為10608工作面無(wú)線電波坑道透視邊界。

圖1 10608工作面坑道透視

表1 工作量統(tǒng)計(jì)

3.2 瞬變電磁法方案設(shè)計(jì)

需采用瞬變電磁法查明工作面及頂?shù)装迳舷?0 m范圍內(nèi)的富水情況，數(shù)據(jù)采集采用YCS256本安型礦用瞬變電磁儀，重疊回線裝置。儀器及裝置相關(guān)采集參數(shù)如下：探測(cè)深度約80 m，測(cè)點(diǎn)間距為10 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)3個(gè)方向，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)并標(biāo)記。工作量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

4 物探效果分析

4.1 無(wú)線電波坑道透視

圖2中藍(lán)色曲線表示衰減場(chǎng)強(qiáng)值，紅色曲線表示實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，綠色曲線代表某測(cè)點(diǎn)的衰減系數(shù)值。根據(jù)工作面地質(zhì)資料，本次探測(cè)區(qū)域工作面傾向長(zhǎng)度不一致（216 m/100 m/216 m），傾向長(zhǎng)度長(zhǎng)的區(qū)域接收?qǐng)鰪?qiáng)值相對(duì)比傾向長(zhǎng)度短的整體偏小，且在局部大范圍區(qū)域表現(xiàn)為強(qiáng)衰減，整體信號(hào)弱。本次數(shù)據(jù)處理采用了分段細(xì)化處理方法，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)異常的較好反應(yīng)。具體分段范圍為：發(fā)射點(diǎn)10～55段；發(fā)射點(diǎn)55～95段；發(fā)射點(diǎn)95～130段；發(fā)射點(diǎn)130～165段。

從本次探測(cè)工作可以看出，無(wú)線電波對(duì)10608工作面的異常區(qū)域有較好的反映，探測(cè)總體衰減系數(shù)范圍自0.37＜η＜1.06范圍之間。根據(jù)總體衰減系數(shù)分布情況可知，80～500 m、1060～1310 m和1500～1720 m范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)500～1060m和1310～1500 m范圍整體偏大，根據(jù)分段CT成果圖發(fā)射點(diǎn)10～55段(η＞0.55)、55～95段（η＞0.58）、95～130段（η＞0.95）、130～165段（η＞0.50）區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)強(qiáng)衰減區(qū)，顯示為藍(lán)色或淺藍(lán)色區(qū)域；0～55段（η＞0.52)、55～95段（η＞0.55）、95～130段（η＞0.85）、130～165段（η＞0.45）區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)較強(qiáng)衰減區(qū)，顯示為綠色或淺綠色區(qū)。根據(jù)相對(duì)衰減強(qiáng)弱劃分異常，結(jié)合礦方提供的已知地質(zhì)資料及圖紙進(jìn)行異常范圍劃分，本次探測(cè)共圈定10處較為明顯的異常區(qū)，分別編號(hào)為：E1～E10號(hào)異常區(qū)。圖3中下邊邊界為10608工作面軌道巷，上邊邊界為10608工作面皮帶巷，探測(cè)起點(diǎn)為巷道入口的停采線前12m，即皮帶巷08#測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)軌道巷508#測(cè)點(diǎn)位置。結(jié)合地質(zhì)資料，推斷工作面內(nèi)的隱伏構(gòu)造（如斷層、陷落柱）是造成異常的主要原因。

另外，在工作面軌道巷536#～543#測(cè)點(diǎn)之間，對(duì)應(yīng)皮帶巷40#～43#測(cè)點(diǎn)之間的區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)衰減范圍為-5～13 dB，場(chǎng)強(qiáng)衰減相對(duì)其他非異常區(qū)域較大，推測(cè)該區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)過(guò)程中軌道巷揭露的落差0.8 m正斷層所致，大概延伸至軌道巷544#測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)工作面內(nèi)部的位置。在工作面軌道巷639#～645#測(cè)點(diǎn)之間，對(duì)應(yīng)皮帶巷139#～147#測(cè)點(diǎn)之間的區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)衰減范圍為-5～12 dB，場(chǎng)強(qiáng)衰減相對(duì)其他非異常區(qū)域較大，推測(cè)該區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)過(guò)程中兩巷道揭露的落差1.0 m正斷層所致。

4.2 瞬變電磁法

圖2 馬蘭礦10608工作面無(wú)線電波坑透成果

井下采集的數(shù)據(jù)須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理和解釋，才能將所測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)中所需要的物探和地質(zhì)成果。在視電阻率斷面圖上，若地層中無(wú)含導(dǎo)水構(gòu)造或富水區(qū)域，則視電阻率變化平穩(wěn)，反之則會(huì)出現(xiàn)明顯低阻異常區(qū)。

在皮帶順槽和軌道順槽3個(gè)方向探測(cè)范圍內(nèi)，縱向深度0～15m為物探盲區(qū)，視電阻率均大于5Ω·m，無(wú)富水異常區(qū)。

切眼探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3，切眼內(nèi)三個(gè)方向探測(cè)范圍內(nèi)，縱向深度0～15 m為物探盲區(qū)，紅線圈定的視電阻率小于10Ω·m的區(qū)域?yàn)楦凰惓^(qū)，位置見(jiàn)圖2。

經(jīng)過(guò)對(duì)視電阻率擬斷面圖的分析得出13個(gè)富水異常區(qū)，具體位置如下：

①切眼斜向上45°探測(cè)異常區(qū)5個(gè)：

（a）E1：切眼橫向0～5m、縱向40～60 m范圍；

（b）E2：切眼橫向28～115m、縱向35～80 m范圍；

（c）E3：切眼橫向135～150m、縱向55～75 m范圍；

（d）E4：切眼橫向170-205m、縱向55～75 m范圍；

（e）E5：切眼橫向215～220m、縱向45～65 m范圍。

②切眼順層探測(cè)異常區(qū)4個(gè)：

（a）E6：切眼橫向0～100m、縱向30～80 m范圍；

（b）E7：切眼橫向120～140m、縱向65～80 m范圍；

（c）E8：切眼橫向160～185m、縱向45～75 m范圍；

（d）E9：切眼橫向195～220m、縱向25～75 m范圍。

③切眼斜向下45°探測(cè)異常區(qū)4個(gè)：

（a）E10：切眼橫向0～10m、縱向20～70 m范圍；

（b）E11：切眼橫向50～60m、縱向70～80 m范圍；

（c）E12：切眼橫向75～85m、縱向45～70 m范圍；

（d）E13：切眼橫向170～185m、縱向70～80 m范圍。

圖3 切眼電阻率擬斷面

5 結(jié)語(yǔ)

1）本次坑透共發(fā)現(xiàn)異常區(qū)10個(gè)，異常區(qū)域可能是受各類地質(zhì)構(gòu)造影響，也有可能受煤厚變化、煤質(zhì)變化及瓦斯積聚的影響，而這些異常區(qū)域往往存在應(yīng)力集中和瓦斯積聚的隱患，因此在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中需進(jìn)一步對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，做好安全防護(hù)工作，保證礦井安全生產(chǎn)。

2）由于瞬變電磁法探測(cè)時(shí)，皮帶順槽和軌道順槽金屬干擾較多，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，可能會(huì)屏蔽真實(shí)的低阻異常。因此，在回采時(shí)要加強(qiáng)涌水量觀測(cè)，工作面內(nèi)部有斷層和陷落柱，回采過(guò)程中有滯后導(dǎo)水的可能，回采時(shí)應(yīng)密切注意，保證安全。