綜合物探方法在掘進(jìn)面前方陷落柱探測(cè)中的應(yīng)用

李賢忠

(汾西礦業(yè)雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

我國(guó)煤炭賦存范圍廣泛，煤層中發(fā)育有以斷層、陷落柱等為主的地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)煤層中發(fā)育有陷落柱時(shí)會(huì)破壞煤層頂?shù)装逋暾裕o采面正常生產(chǎn)及巷道掘進(jìn)帶來(lái)不利影響[1-3]。同時(shí)，陷落柱也是良好的導(dǎo)水通道，當(dāng)與附近含水層連通時(shí)可能會(huì)造成礦井出現(xiàn)涌水事故。因此，預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)前方陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提前采取應(yīng)對(duì)措施，對(duì)確保巷道掘進(jìn)安全具有重要意義。根據(jù)有關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，將瞬變電磁法、瑞雷波法相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)陷落柱發(fā)育范圍及含水情況的有效探測(cè)[4-7]。因此，本文將瞬變電磁法、瑞雷波法用以掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，以便為巷道掘進(jìn)提供可借鑒參考資料。

1 工程概況

山西某礦開(kāi)采的井田內(nèi)陷落柱發(fā)育，礦井主采的5煤地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，厚度平均3.6 m，為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。現(xiàn)階段礦井布置的506運(yùn)輸巷沿著5煤底板掘進(jìn)，該巷道主要擔(dān)任5號(hào)煤南翼開(kāi)采時(shí)通風(fēng)、運(yùn)輸以及行人任務(wù)。5號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)泥巖，附近含水層為頂板灰?guī)r裂隙水含水層，富水量中等。506運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度1 380 m，矩形斷面，采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式。目前已掘進(jìn)接近800 m，根據(jù)已掘巷道揭露的地質(zhì)構(gòu)造統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該巷道已揭露多達(dá)7個(gè)陷落柱，陷落柱內(nèi)多為破碎的巖塊堆積，中間被泥巖膠結(jié)，已揭露的陷落柱均不含水且導(dǎo)水性差。

2 綜合物探現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 瞬變電磁法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

由于煤礦井下空間狹小，受到巷道全空間影響人工激發(fā)的電磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)在巷道頂?shù)装逍纬删C合電磁感應(yīng)，并形成電流環(huán)向周邊逐漸擴(kuò)散，形成雙煙圈效應(yīng)。在井下一般采用小型瞬變電磁儀(YSC2000)，該設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、體積小、攜帶輕便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)全空間效應(yīng)原理并結(jié)合該礦掘進(jìn)巷道巖層賦存特點(diǎn)，將瞬變電磁儀的發(fā)射頻率設(shè)計(jì)為12.5 Hz，疊加次數(shù)選擇200次，信號(hào)發(fā)射采用20匝回路(2 m×2 m正方形)，磁探頭接收電磁信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道掘進(jìn)前方地質(zhì)賦存情況的精準(zhǔn)探測(cè)，探測(cè)方式選用扇形方式，可實(shí)現(xiàn)多角度多方向探測(cè)。

將瞬變電磁儀布置在掘進(jìn)巷道迎頭位置，按照?qǐng)D1所示角度對(duì)掘進(jìn)前方煤巖體地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)。

圖1 瞬變電磁儀不同角度布置示意圖

2.2 瑞雷波法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該探測(cè)技術(shù)是在掘進(jìn)工作面布置人工震源激發(fā)震波信號(hào)，在掘進(jìn)工作面布置檢波器用以接收震波信號(hào)，具體震源及檢波器布置位置見(jiàn)圖2。

圖2 震源及檢波器布置示意圖

兩路不同震波信號(hào)具有不同的頻率，根據(jù)相位差即可計(jì)算出震波傳播耗時(shí)及傳輸速度，從而對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)的地質(zhì)體賦存情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。 在掘進(jìn)巷道迎頭布置雷瑞斌儀[(型號(hào)YTR(D)]，該設(shè)備可同時(shí)連接5臺(tái)檢波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面前方60 m范圍內(nèi)的煤巖體賦存情況進(jìn)行探測(cè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果分析

為了確保506運(yùn)輸巷掘進(jìn)安全，降低陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巷道掘進(jìn)影響，礦井決定在采用瞬變電磁法結(jié)合瑞雷波法對(duì)掘進(jìn)前方可能存在的對(duì)巷道掘進(jìn)安全帶來(lái)影響的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。選用的瞬變電磁法獲取到的電阻率分布圖像見(jiàn)圖3a)所示，瑞雷波法獲取到的探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3b)所示。

從圖3a)可看出，當(dāng)瞬變電磁儀以30°仰角對(duì)巷道掘進(jìn)前方煤巖體地質(zhì)構(gòu)造賦存情況進(jìn)行探測(cè)時(shí)，獲取到的視電阻率等值線以發(fā)射狀態(tài)分布，且視電阻率均高于24 Ω·m，由此判定該探測(cè)方向前方煤巖體賦存較為穩(wěn)定，不存在富水區(qū)；當(dāng)瞬變電磁儀按照90°角度(順巷道掘進(jìn)方向)布置時(shí)，在掘進(jìn)迎頭前方21 m～55 m范圍有一橢圓形低阻區(qū)，視電阻率均在24 Ω·m以內(nèi)，對(duì)比掘進(jìn)迎頭前方80 m范圍內(nèi)的視電阻率分布情況可發(fā)現(xiàn)，該低阻區(qū)內(nèi)視電阻率變化不明顯，表明探測(cè)區(qū)域煤巖體富水性差，低阻區(qū)為地質(zhì)構(gòu)造引起的巖性變化引起；當(dāng)瞬變電磁儀以30°俯角布置時(shí)，在距掘進(jìn)迎頭21 m～53 m位置存在有一個(gè)橢圓形、封閉的低阻區(qū)，該低阻區(qū)范圍與90°角布置時(shí)獲取到的低阻區(qū)范圍重疊，分析判定該低阻區(qū)為陷落柱。結(jié)合在掘進(jìn)迎頭30°仰角、90°角以及30°俯角三個(gè)方向瞬變電磁探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在掘進(jìn)迎頭前方21 m～53 m范圍發(fā)育有陷落柱。

圖3 綜合物探成果圖

依據(jù)圖3b)發(fā)現(xiàn)，在與掘進(jìn)迎頭相距21 m、53 m有較大振幅的尖峰，表明上述兩個(gè)位置附近有煤巖層變化較為明顯的地質(zhì)構(gòu)造。

4 鉆探驗(yàn)證

為了驗(yàn)證物探探測(cè)結(jié)果，在506運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭布置3個(gè)探測(cè)鉆孔，分別按照30°仰角、垂直煤壁以及30°俯角向巷道掘進(jìn)方向布置，具體布置見(jiàn)第176頁(yè)圖4。

具體3個(gè)探測(cè)孔探測(cè)結(jié)果見(jiàn)第176頁(yè)表1所示。從鉆屑統(tǒng)計(jì)結(jié)果可判定物探圈定的異常區(qū)為陷落柱。后期巷道掘進(jìn)至該位置時(shí)也揭露該陷落柱，同時(shí)陷落柱內(nèi)砂巖塊被泥巖膠結(jié)，僅有少量的淋水。表明，文中采用的綜合探測(cè)技術(shù)探測(cè)成果可信度較高，探測(cè)成果可指導(dǎo)后續(xù)巷道掘進(jìn)。

圖4 探測(cè)鉆孔布置示意圖

表1 探測(cè)鉆孔不同鉆進(jìn)位置鉆屑統(tǒng)計(jì)情況

5 結(jié)語(yǔ)

綜合物探技術(shù)可適應(yīng)礦井井下狹小空間，將瞬變電磁法、瑞雷波法相結(jié)合對(duì)506運(yùn)輸巷掘進(jìn)前方地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，并采用鉆探方對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用綜合物探方法探測(cè)到巷道掘進(jìn)迎頭前方21 m～53 m存在有不導(dǎo)水陷落柱，鉆探及后續(xù)巷道掘進(jìn)均揭露探測(cè)到的陷落柱。表明，文中選用的瞬變電磁法、瑞雷波法相結(jié)合的綜合物探方式探測(cè)結(jié)果具有較強(qiáng)的可信度。