綜合礦井物探技術(shù)在陷落柱探測(cè)中的應(yīng)用

焦 陽，廉玉廣，李梓毓，竇文武，李 剛，譚 菁

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，山西 晉城 048061；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

我國(guó)煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層中賦存著性質(zhì)各異、規(guī)模不同的地質(zhì)構(gòu)造，以陷落柱、斷層為主。其中，陷落柱的存在破壞了煤層及圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響機(jī)械化采煤和正常生產(chǎn)，另外，如果煤層帶壓開采，與奧陶系陷落柱直接溝通，陷落柱極易成為導(dǎo)水通道，誘發(fā)水害事故發(fā)生[1-4]。因此，工作面回采之前，探明其內(nèi)部陷落柱的發(fā)育狀況對(duì)煤礦生產(chǎn)至關(guān)重要。

目前，回采工作面內(nèi)陷落柱的精細(xì)化探查手段主要以無線電波透視為主，但其傳播距離較短、縱向分辨不高。槽波勘探作為一種可用于井下的高精度探測(cè)手段，能夠有效反映采面內(nèi)的主要地質(zhì)異常(陷落柱、斷層等)，且探測(cè)分辨率高。本文采用無線電波透視與槽波勘探綜合探測(cè)陷落柱取得了良好的效果[5-9]。

1 探測(cè)原理與方法

1.1 無線電波透視

電磁波在地下煤巖層中傳播時(shí)，由于煤巖電性特征的不同，它們對(duì)電磁波的吸收能力不一，當(dāng)電磁波在前進(jìn)方向上遇到異常界面時(shí)，其能量會(huì)有所損耗。因此，電磁波在采面內(nèi)穿過煤層途中遇到陷落柱、斷層等其他地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其能量會(huì)被大量吸收或完全屏蔽，造成接收巷道收到的信號(hào)微弱，或收不到透射信號(hào)，故而形成所謂的異常。

無線電波透視技術(shù)一般在工作面的2條巷道進(jìn)行，一條巷道布置發(fā)射點(diǎn)，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，在另外一條巷道布置接收點(diǎn)，觀測(cè)電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)變化，如果電磁波遇到的介質(zhì)發(fā)生電性變化時(shí)，接收信號(hào)顯著減弱或收不到有效信號(hào)，如在巷道內(nèi)多點(diǎn)觀測(cè)，則形成所謂的“透視異?！?，無線電波透視法的信號(hào)收發(fā)示意見圖1。

圖1 無線電波透視法的信號(hào)收發(fā)示意

1.2 槽波勘探

在煤層中激發(fā)的地震波除部分向三維空間輻射外，其余能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層之中，不向圍巖外“泄漏”，在煤層通道中相互疊加、相互干涉，形成槽波。槽波發(fā)現(xiàn)于1955年。槽波地震勘探便是利用槽波來探查地質(zhì)異常體的一種物探方法[10-12]。

槽波地震勘探根據(jù)探測(cè)目的與布置方式的不同，可以分為透射、反射和透射-反射聯(lián)合探測(cè)。槽波透射法原理如圖2所示，檢波器布置在工作面的一個(gè)巷道內(nèi)，炮點(diǎn)布置在工作面的另一個(gè)巷道內(nèi)，以此接收來自炮點(diǎn)的地震波透射信息。

圖2 槽波透射法勘探原理示意

2 探測(cè)陷落柱實(shí)例

2.1 工作面概況

晉煤集團(tuán)某煤礦4321工作面巷道長(zhǎng)730m，切眼寬度195m，開采3號(hào)煤層，平均厚度為5.3m，穩(wěn)定可采，巷道掘進(jìn)過程中，在距切眼20～80m位置揭露一陷落柱，但無法確定其采面內(nèi)的影響范圍，另外，受三維地震勘探的局限性，采面部分地質(zhì)構(gòu)造未能精確查出，而其內(nèi)部可能存在隱伏性陷落柱、斷層。因此，為了進(jìn)一步查明4321工作面內(nèi)部的地質(zhì)異常區(qū)域，保障工作面安全開采，故在4321工作面開展無線電波透視與槽波勘探綜合物探工作。

2.2 無線電波透視成果

本次無線電波透視在2條巷道中進(jìn)行，采用“雙發(fā)雙收”方式施工，一條巷道接收，另一條巷道發(fā)射，之后調(diào)換巷道收發(fā)。在43211巷發(fā)射時(shí)，發(fā)射點(diǎn)20個(gè)，發(fā)射點(diǎn)間距40m，43213巷接收點(diǎn)340個(gè)，接收點(diǎn)間距5m；在43213巷發(fā)射時(shí)，發(fā)射點(diǎn)20個(gè)，發(fā)射點(diǎn)間距40m，43211巷接收點(diǎn)340個(gè)，接收點(diǎn)間距5m。

綜合巷道的接收?qǐng)鰪?qiáng)曲線(陷落柱位置的場(chǎng)強(qiáng)曲線呈“V”型衰減)及吸收系數(shù)的反演成圖(冷色代表場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)衰減區(qū)域，即異常反應(yīng))，無線電波透視成果共圈定1處異常，見圖3，位于距切眼15～108m范圍，與巷道實(shí)際揭露陷落柱的位置吻合，但其異常形態(tài)呈矩形，無法精確畫定陷落柱在采面內(nèi)的影響范圍。

圖3 4321無線電波透視成果

2.3 槽波勘探成果

本次槽波勘探以透射為主，在43211巷及切眼布置炮孔55個(gè)，間距20m，在43213巷布置檢波器孔37個(gè)，間距20m，每個(gè)檢波器采用雙分量解釋震波數(shù)據(jù)。

本次數(shù)據(jù)處理采用槽波透射法能量分析，在得出探測(cè)范圍的槽波振幅值后，采用CT層析成像方法繪制衰減系數(shù)云圖，根據(jù)衰減系數(shù)成像中的槽波能量變化特征，推斷地質(zhì)構(gòu)造的位置、范圍。

圖4為本次槽波探測(cè)成果示意圖，暖色區(qū)域表示能量衰減嚴(yán)重，推斷為地質(zhì)構(gòu)造影響，綜合無線電波透視成果及巷道實(shí)際揭露構(gòu)造情況，共圈定5處地質(zhì)異常：YC1推斷為陷落柱，長(zhǎng)軸80m，短軸62m，位于切眼以里30～110m；YC2推斷為陷落柱，長(zhǎng)軸88m，短軸80m，位于切眼以里10～98m；YC3，YC4推斷為斷層影響，延伸長(zhǎng)度分別為78m和26m；YC5推斷為地質(zhì)異常體，暫時(shí)無法辨別其性質(zhì)，位于切眼以里585～661m。

2.4 探采成果對(duì)比

目前，4321工作面已經(jīng)安全回采完畢，綜合無線電波透視與槽波地震勘探成果圈定的異常，均已完成驗(yàn)證(以槽波探測(cè)成果圈定的YC1-YC5異常為準(zhǔn))，其中：YC3，YC4和YC5異常地段分別揭露SF291，SF292和SF293斷層，且走向與延伸范圍均較吻合，在此不再贅述；YC2異常揭露陷落柱SX93，長(zhǎng)軸85m，短軸78m，影響范圍在圖4中YC2異常紅色實(shí)線圈定范圍內(nèi)；YC1異常揭露陷落柱SX94，長(zhǎng)軸75m，短軸60m，影響范圍在圖4中YC1異常紅色實(shí)線圈定范圍內(nèi)。

圖4 4321槽波地震勘探成果

綜上所述，結(jié)合無線電波透視與槽波勘探的各自優(yōu)勢(shì)能夠準(zhǔn)確圈定陷落柱，特別是“串珠型”陷落柱，而且對(duì)斷層等地質(zhì)構(gòu)造的反應(yīng)效果良好。

3 主要結(jié)論

(1)無線電波透視技術(shù)，對(duì)采面內(nèi)陷落柱的反應(yīng)比較敏感，其場(chǎng)強(qiáng)曲線呈“V”型衰減，橫向分辨率較高。

(2)槽波勘探技術(shù)，對(duì)采面內(nèi)主要地質(zhì)異常(包括陷落柱、斷層等)均有明顯反應(yīng)，且橫、縱向分辨率均較高。結(jié)合無線電波透視成果，可以更準(zhǔn)確圈定陷落柱，特別是“串珠型”陷落柱的發(fā)育狀況，對(duì)保障礦井的安全生產(chǎn)意義重大。