礦井綜合物探方法在工作面掘進(jìn)至陷落柱精細(xì)探測中的應(yīng)用

李健鑫,王 鵬,韓慧棟

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司,山西 高平 048400)

陷落柱是伯方礦廣泛發(fā)育的一種以隱伏垂向?yàn)橹鞯牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu),其主要有以下危害:一是破壞可采煤層,減少煤炭儲(chǔ)量,使開采條件復(fù)雜化,降低回采率。二是增加巖巷的掘進(jìn)率,增加掘進(jìn)工作量,降低掘進(jìn)速度,增加支護(hù)難度。三是影響煤礦安全生產(chǎn),陷落柱附近煤層頂板及煤體一般較為破碎,容易發(fā)生冒頂、片幫事故;在接近陷落柱處,工作面瓦斯涌出量可能急劇增大,易發(fā)生瓦斯事故;在帶壓區(qū)遇到導(dǎo)水陷落柱可能發(fā)生突水事故[1-5]。因此,查明陷落柱的規(guī)模、位置、確定掘進(jìn)巷道繞過或穿越陷落柱的距離,對礦井生產(chǎn)活動(dòng)的安排具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 礦井地質(zhì)

伯方礦為沁水煤田高平礦區(qū)王報(bào)井田的一部分,礦井面積27.491 6 km2,核定生產(chǎn)能力210萬t/a,現(xiàn)開采二疊系山西組3#煤層,煤層厚3.78～6.10 m,煤層平均厚5.31 m,為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。井田構(gòu)造形態(tài)總體為走向北東,傾向北西的單斜構(gòu)造,地層傾角為3°～8°,在此基礎(chǔ)上發(fā)育有次一級寬緩褶曲、17條落差5 m以上的斷層及134個(gè)陷落柱。

1.2 陷落柱發(fā)育特征

依據(jù)地表發(fā)現(xiàn)、三維地震勘探及井下揭露發(fā)現(xiàn),陷落柱水平斷面形態(tài)以橢圓形為主,其次為圓形或近圓形,還存在少許不規(guī)則形,長軸直徑在15～284 m之間,短軸直徑10～120 m。平面展布上,陷落柱總體呈線狀、串狀發(fā)育,東部發(fā)育密度小,西部發(fā)育密度大。井田內(nèi)總體呈菱形分布,和新華夏的一組構(gòu)造裂隙分布情況基本吻合,說明本區(qū)地下水活動(dòng)受構(gòu)造裂隙控制較強(qiáng)。

由于陷落柱數(shù)量多、規(guī)模大,對巷道掘進(jìn)與工作面連續(xù)推進(jìn)有較大的影響。井田陷落柱發(fā)育,由于受水文地質(zhì)背景的影響,導(dǎo)富水性一般較差。在本礦揭露的41個(gè)陷落柱中,除極個(gè)別有滴、淋水現(xiàn)象外(水量在2 m3/h以下,水源主要為煤層頂板砂巖裂隙水),大部分陷落柱無水。分析其原因,在陷落柱頂端,由于壓實(shí)作用減弱,且受采動(dòng)作用影響,會(huì)出現(xiàn)頂板水下滲現(xiàn)象。由于沁水盆地屬穩(wěn)定地塊,無地震活動(dòng),加之石炭系太原組與奧陶系峰峰組灰?guī)r的弱含水性,溝通底板水的可能性不大。

2 揭露陷落柱發(fā)育特征

本文以3305運(yùn)輸順槽工作面為研究對象,當(dāng)該工作面掘進(jìn)至220 m時(shí),巷道實(shí)際揭露陷落柱,而該陷落柱在三維地震勘探中并未解釋。在掘進(jìn)工作面按原計(jì)劃進(jìn)入陷落柱體10 m后,為探明其規(guī)模和掘進(jìn)迎頭需通過的長度,在現(xiàn)有的巷道條件下,利用全方位探測儀和瞬變電磁儀對3305掘進(jìn)頭陷落柱進(jìn)行了綜合物探探查。

通過對陷落柱的現(xiàn)場地質(zhì)觀察和實(shí)地調(diào)查,總結(jié)其特征如下:

1)掘進(jìn)工作面在接近陷落柱約2～5 m的位置,工作面滴水、淋水不斷,但涌水量不大,與柱體相接觸部位的煤層及頂板巖層產(chǎn)狀稍有變化,傾向柱體,部分伴生有傾向柱體的牽引小型正斷層;柱體周邊煤體由于長期受應(yīng)力集中作用,蠕變變形較為明顯,煤體碎裂,煤質(zhì)松軟,光澤稍暗,稍有氧化,無水銹。

2)陷落柱內(nèi)主要為煤系頂板的破碎巖塊、角礫及泥砂堆積,巖體極為雜亂;基質(zhì)多由較細(xì)至極細(xì)的巖屑、巖粉和黏土粒組成,這些基質(zhì)包裹著大大小小的巖塊,并且已經(jīng)發(fā)生膠結(jié),且膠結(jié)程度較高;由于黏土粒成分高,會(huì)堵塞巖體內(nèi)的裂隙,因此不利于地下水的賦存。掘進(jìn)工程穿過柱體時(shí),不滴水、不淋水,表明已不在徑流帶或排泄區(qū)內(nèi),補(bǔ)、徑、排條件已經(jīng)很差,巖溶作用已停止。

3 綜合物探工作方法與成果

3.1 掘進(jìn)頭三點(diǎn)-三極法

3.1.1探測原理

礦井直流超前探測法采用三極裝置,在全空間介質(zhì)中利用單點(diǎn)電源A供電(另一供電電極B置于相對無窮遠(yuǎn)處),用M、N電極測量。超前探測與電測深法的工作原理不同,它是將A極固定在巷道迎頭,向后逐步移動(dòng)M、N電極,測量電位差ΔUMN,并以測量電極M和N的中點(diǎn)為記錄點(diǎn),計(jì)算視電阻率后,就可繪制出沿巷道的視電阻率剖面曲線。

3.1.2工作布置

根據(jù)本次井下電法勘探任務(wù),于2015年9月28日8點(diǎn)班,利用掘進(jìn)工作面現(xiàn)有巷道條件,采用YTD400(A)礦井全方位探測儀探查巷道前方構(gòu)造。本次探測的形式為巷道掘進(jìn)頭超前探測,探查位置位于3305運(yùn)輸巷230 m深處,測點(diǎn)距迎頭2 m,巷道傾角2°～3°,底板有少量浮渣,清理后打入電極,設(shè)計(jì)步長為4 m,用以探測前方80 m的陷落柱發(fā)育情況,采用三點(diǎn)(A1、A2、A3)-三極(M、N、B)超前探測裝置,具體的井下工作布置情況,如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)-三極超前探測工作布置圖Fig.1 Layout of three-point-three-pole advance detection

3.1.3探測結(jié)果分析

采用系統(tǒng)軟件對YTD400(A)礦井全方位探測儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、處理、解釋與成圖,探測結(jié)果如圖2所示。在探測前方0～10 m范圍有顯著的高阻異常,10～11 m范圍為正常值向低阻的過渡帶,10～13 m范圍出現(xiàn)明顯的低阻異常,13～15 m重復(fù)出現(xiàn)低阻向正常值的過渡帶,15 m以后基本為正常值,僅在44 m處有一小段相對低阻異常帶。

結(jié)合陷落柱實(shí)際揭露特征推斷,0～10 m為掘進(jìn)頭陷落柱體的范圍,這是因?yàn)椴降V陷落柱內(nèi)部巖石已膠結(jié),且膠結(jié)程度較高,黏土粒已堵塞巖體內(nèi)的裂隙,不利于地下水賦存,因此呈現(xiàn)高阻異常;10～15 m為陷落柱向煤層接觸過渡帶的滴、淋水部位,其原因?yàn)檫^渡帶煤體碎裂,頂板砂巖水在遇到阻水的陷落柱后,順著柱體周邊破碎煤體的裂隙向下補(bǔ)給,因此呈現(xiàn)低阻異常;15 m以后基本為正常煤層。

圖2 三點(diǎn)-三極探測結(jié)果圖Fig.2 Three-point-three-point detection results

3.2 掘進(jìn)頭瞬變電磁法

3.2.1探測原理

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法(簡稱TEM),利用不接地回線(線圈)向被測地質(zhì)體發(fā)射脈沖式電場作為場源(一次場),以激勵(lì)被測地質(zhì)體產(chǎn)生二次場,在發(fā)射脈沖的間隙利用接收回線(線圈)接收二次場隨時(shí)間變化的響應(yīng)。從接收的二次場數(shù)據(jù)中分析出地質(zhì)體異常導(dǎo)電體的位置,從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。

3.2.2工作布置

在同一位置采用瞬變電磁探測儀對巷道掘進(jìn)頭進(jìn)行超前探測,探測前方100 m的陷落柱發(fā)育情況。采用2 m×2 m的多匝矩形重疊回線裝置,分別沿巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行超前探測,發(fā)射線框與煤層頂板、順層和底板的夾角分別為60°,90°,60°,發(fā)射線框每次改變15°進(jìn)行探測,探測范圍為掌子面前方的扇形區(qū),超前探測工作布置情況,如圖3所示。

圖3 瞬變電磁超前探測工作布置圖Fig.3 Layout of transient electromagnetic advance detection

3.2.3探測結(jié)果分析

采用系統(tǒng)軟件對瞬變電磁儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、處理、解釋與成圖,對巷道頂板、順層、底板的探測結(jié)果,如圖4(a)—4(c)所示。在探測正前方0～20 m范圍,由于采用多匝小回線裝置形式,發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間過長,存在近距離探測盲區(qū)。正前方20～100 m范圍為正常區(qū)域。在右前方20～40 m處有一高阻異常區(qū)。兩幫測點(diǎn)的低阻異常是因?yàn)槭艿浇饘馘^網(wǎng)支護(hù)的影響。

由于初見陷落柱的位置為測點(diǎn)的后方10 m處,測點(diǎn)前方20 m已為正常煤體,與右前方45°方向20～40 m處的高阻異常區(qū)結(jié)合,圈定出陷落柱體的范圍,如圖4(d)所示。據(jù)此可以推斷,掘進(jìn)巷道擺脫陷落柱的影響約在正前方10 m處,且左幫先見煤。

圖4 瞬變電磁超前探測結(jié)果Fig.4 Transient electromagnetic advance detection results

4 探測對比效果分析

經(jīng)巷道實(shí)際揭露,在測點(diǎn)位置向前掘進(jìn)10 m至240 m處巷道左幫先見煤,隨后走出陷落柱;在走出陷落柱2～5 m的位置,工作面出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象,很好地驗(yàn)證了三點(diǎn)-三極探測成果圖中陷落柱與煤層的接觸過渡帶的低阻異常。綜上所述,說明本次綜合物探結(jié)果較為準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

1)伯方礦陷落柱的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),決定了綜合物理探測手段的適應(yīng)性和有效性。由于陷落柱、接觸過渡帶、煤層之間存在顯著的電性差異,此界面特征使其能夠在三點(diǎn)-三極超前探測中有良好的反應(yīng)。同時(shí)通過瞬變電磁能夠準(zhǔn)確圈定出陷落柱的范圍。兩種物探手段相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合解釋,可使物探成果的精度和可靠度大為提高。

2)在探測小型構(gòu)造方面,井下綜合物探手段可作為地面物探的重要補(bǔ)充,且能提供更為準(zhǔn)確的探測結(jié)果。在地面,由于目標(biāo)物埋深較大并且受物探方法本身技術(shù)發(fā)展水平及分辨率的限制,只能較為粗略地圈定陷落柱的位置和范圍。而在井下,已有地質(zhì)異常體或陷落柱已部分揭露,為近距離探測提供了有利條件,可以根據(jù)陷落柱及伴生地質(zhì)現(xiàn)象的特點(diǎn),對陷落柱的范圍做出更為準(zhǔn)確的界定。

3)本文在對陷落柱地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行綜合物探成果解釋,為伯方礦陷落柱的探查提供了新的思路和方法。該方法通過對陷落柱的構(gòu)造特點(diǎn)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及伴生現(xiàn)象的觀察和描述,側(cè)重對其成因的分析和研究,并在此基礎(chǔ)上利用其電性特征進(jìn)行綜合物探,進(jìn)一步探查和解釋,從而取得良好的探測結(jié)果。