礦井回采工作面隱伏構(gòu)造的精細(xì)化物探應(yīng)用研究

張廣寧,李梓毓,焦 陽(yáng)

(1. 晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046605;2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

現(xiàn)今煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件漸趨復(fù)雜,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些隱伏構(gòu)造,在回采工作面無(wú)計(jì)劃揭露時(shí)對(duì)生產(chǎn)銜接會(huì)造成非常大的影響,嚴(yán)重情況可能會(huì)造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此,礦井回采工作面隱伏構(gòu)造的精細(xì)化分析在當(dāng)前的煤礦地質(zhì)工作中就顯得尤為重要。晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井位于晉(城)-獲(鹿)褶斷帶南段的韓店至高平間褶斷帶西側(cè),沁水復(fù)向斜東側(cè),井田區(qū)域內(nèi)構(gòu)造主要受新華夏構(gòu)造體系控制?，F(xiàn)開(kāi)采二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層,全井田總的為一走向北北東,傾向北西,傾角5°左右的單斜構(gòu)造,在此基礎(chǔ)上伴有次級(jí)寬緩褶曲和小型斷裂,兩翼傾角8°～15°,主要斷層和褶曲的走向多為北北東向,地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,且經(jīng)常存在相互伴生的情況。由于伴生關(guān)系的原因,一些回采工作面的布置就會(huì)出現(xiàn)已知地質(zhì)構(gòu)造附近發(fā)育的隱伏構(gòu)造[1-4]。

趙莊二號(hào)井2307回采工作面較為典型,已知斷層的背后發(fā)育隱伏陷落柱。在工作面回采之前為了探明構(gòu)造發(fā)育情況以及可能存在的隱伏構(gòu)造,利用槽波和坑透兩種物探技術(shù)進(jìn)行綜合探測(cè)和精細(xì)化分析,達(dá)到了良好的探測(cè)效果,排除了隱伏構(gòu)造誤揭露所帶來(lái)的隱患。槽波地震勘探技術(shù)具有傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、異常分辨率較高等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)槽波地震勘探已逐漸成為回采工作面構(gòu)造探測(cè)的主流技術(shù)。槽波勘探對(duì)各類(lèi)構(gòu)造探測(cè)均有效果,但該技術(shù)單一分析構(gòu)造類(lèi)型難度較大。礦井坑透(無(wú)線電波透視)探測(cè)技術(shù)已較為成熟,普遍用于回采工作面的構(gòu)造探測(cè),尤其對(duì)陷落柱反應(yīng)靈敏,其抗干擾能力強(qiáng),但受觀測(cè)系統(tǒng)所限,縱向分辨率較低,單一利用坑透技術(shù)手段探測(cè),難以精細(xì)化探明工作面構(gòu)造發(fā)育情況。

本文利用槽波和坑透兩種探測(cè)技術(shù),并結(jié)合工作面實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行精細(xì)化分析,綜合解釋回采工作面的內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育情況。

1 槽波和坑透的探測(cè)原理及方法

1.1 槽波透射法

槽波是在煤層中進(jìn)行激發(fā),由于煤層具有波導(dǎo)性,激發(fā)的部分能量經(jīng)過(guò)煤層頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層及其鄰近的巖石(煤槽)之中,煤槽中縱波和橫波相互疊加、相長(zhǎng)干涉,從而形成槽波[5-7]。利用槽波地震透射法勘探時(shí),炮點(diǎn)布置在工作面一條巷道上,檢波器布置在工作面的另一條巷道上,用以接收來(lái)自炮點(diǎn)激發(fā)的槽波透射信息。在對(duì)槽波原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,根據(jù)槽波的振幅進(jìn)行拾取,利用振幅衰減系數(shù)迭代計(jì)算進(jìn)行CT成像[8],找到透射勘探中振幅衰減異常區(qū)域并解釋分析,如圖1所示。

槽波地震透射法主要分為速度CT成像和能量衰減系數(shù)CT成像兩種。在以往槽波地震勘探中通過(guò)利用槽波頻散的特征,在合適的頻率中拾取槽波的旅行時(shí),實(shí)現(xiàn)速度反演CT成圖,利用槽波的高低速異常來(lái)對(duì)工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析。實(shí)際探測(cè)研究中發(fā)現(xiàn),在客觀條件上存在諸多因素會(huì)影響到利用槽波速度CT成像分析工作面構(gòu)造的探測(cè)準(zhǔn)確程度。例如，不同煤層的物理力學(xué)性質(zhì)、煤層夾矸、煤層頂?shù)装鍘r性的差異以及不同段位雷管的延遲對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響等,都會(huì)使槽波的速度分析準(zhǔn)確性降低。通過(guò)利用槽波能量衰減系數(shù)CT成像技術(shù),則可以較好地避免這些客觀因素的影響,提高工作面槽波透射探測(cè)的準(zhǔn)確性[9]。

1.2 坑透法

無(wú)線電波透視法簡(jiǎn)稱為 “坑透法”, 是指井下電磁波在地下巖層中傳播時(shí),由于各種巖石、礦石電性的不同,導(dǎo)致對(duì)電磁波能量的吸收不同,低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用,當(dāng)電磁波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造界面時(shí),將在界面上產(chǎn)生反射和折射,造成能量損耗的一種電磁波透視方法。井下電磁波穿過(guò)煤層途中遇到斷層、陷落柱或其他構(gòu)造時(shí),電磁波能量被吸收或被完全屏蔽,則接收巷道收到微弱信號(hào)或收不到透射信號(hào),形成透視異常,據(jù)此對(duì)地質(zhì)異常區(qū)域進(jìn)行推斷和解釋[10]。

坑透法的井下探測(cè)方法一般為定點(diǎn)法,在回采工作面兩巷道間進(jìn)行,發(fā)射機(jī)相對(duì)固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點(diǎn)位置上,接收機(jī)在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)沿巷道觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值,又稱定點(diǎn)交會(huì)法。一般發(fā)射點(diǎn)距50 m,接收點(diǎn)距5 m,如圖2所示。

圖2 坑透法探測(cè)原理示意圖Fig.2 Detection principle of pit penetration geophysical prospecting method

2 趙莊二號(hào)井2307回采工作面探測(cè)

趙莊二號(hào)井2307工作面回采3#煤層,走向長(zhǎng)1 200 m,傾斜長(zhǎng)180 m。工作面地面標(biāo)高+958～+973 m,3#煤層底板標(biāo)高+461～+495 m,煤層厚度3.8～5.1 m,平均煤層厚度4.35 m,煤層傾角為1°～5°,直接頂為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖,直接底為泥質(zhì)粉砂巖。工作面順槽巷道掘進(jìn)過(guò)程中,揭露了2條斷層,分別為23072巷F125和23071巷F126。F125揭露斷距為1.5 m,傾向128°,傾角60°;F126揭露斷距為3.7 m,傾向126°,傾角50°。為查明工作面內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育情況,從而開(kāi)展了槽波和坑透探測(cè)。

2.1 槽波透射探測(cè)方案

采用槽波透射法進(jìn)行勘探,設(shè)計(jì)探測(cè)長(zhǎng)度為1 200 m,槽波透射勘探觀測(cè)系統(tǒng)如圖3所示,共設(shè)有60個(gè)檢波器孔,孔間距20 m，60個(gè)炮孔,孔間距20 m。

圖3 2307工作面槽波觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design of in-seam wave observation system of 2307 working face

2.2 坑透探測(cè)方案

坑透探測(cè)在回采工作面兩條巷道進(jìn)行,采用一發(fā)一收方式施工,即一條巷道接收,另一條巷道發(fā)射。在23071巷和23072巷分別設(shè)發(fā)射點(diǎn)24個(gè)，發(fā)射點(diǎn)間距50 m,同時(shí)分別設(shè)接收點(diǎn)240個(gè)，接收點(diǎn)間距5 m，如圖4所示。

圖4 2307工作面坑透觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design of pit-penetration prospecting observation system of 2307 working face

2.3 槽波和坑透原始數(shù)據(jù)分析

圖5和圖6為2307工作面槽波透射的兩個(gè)較為典型的單炮記錄。圖5為第30炮的單炮記錄,可以看出槽波信號(hào)強(qiáng)、相位清晰、能量強(qiáng)、頻率高、主頻區(qū)間在110～230 Hz之間。

圖5 槽波透射第30炮單炮記錄圖Fig.5 The 30th shot record of in-seam wave transmission method

圖6為第24炮的單炮記錄,除上述特征外,在35-60炮出現(xiàn)了槽波振幅的劇烈衰減,信號(hào)近乎消失,說(shuō)明這些射線穿過(guò)了破壞煤層連續(xù)性的構(gòu)造區(qū)域,檢波器只是接收到了非常微弱的繞射槽波信號(hào)。

圖6 槽波透射第24炮單炮記錄圖Fig.6 The 24th shot record of in-seam wave transmission method

坑透原始數(shù)據(jù)根據(jù)每條巷道采集的坑透場(chǎng)強(qiáng)值,形成了兩條巷道接收的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖(圖7)。圖中標(biāo)注構(gòu)造異常反應(yīng)區(qū)域的兩條巷道的場(chǎng)強(qiáng)曲線圖都有較大變化,說(shuō)明該區(qū)域很有可能有地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

圖7 坑透實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖Fig.7 Field strength curves measured by pit penetration

2.4 槽波和坑透探測(cè)結(jié)果

趙莊二號(hào)井2307工作面,先后進(jìn)行槽波地震探測(cè)和坑透(無(wú)線電波透視)探測(cè),最終圈定異常范圍,并推斷異常性質(zhì)。

2307工作面槽波數(shù)據(jù)經(jīng)原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、地震數(shù)據(jù)分量篩選、載入觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)批處理、頻譜分析、濾波、振幅拾取、衰減系數(shù)層析成像進(jìn)行處理分析[11-12]。在進(jìn)行槽波透射法處理的過(guò)程中,選取了比較有利可靠的參數(shù)進(jìn)行層析成像,最終形成槽波勘探成果圖(圖8(a))。圈定2條斷層(巷道揭露)和1處槽波異常區(qū)域。成果圖中,紅黃色區(qū)域(暖色區(qū))代表能量衰減較強(qiáng)的區(qū)域(異常區(qū))。

坑透數(shù)據(jù)經(jīng)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、載入觀測(cè)系統(tǒng)、生成實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖、SIRT法反演電磁波吸收系數(shù)進(jìn)行處理分析，最終形成坑透成果圖(圖8(b))。圈定1處坑透異常區(qū)域,其中藍(lán)色調(diào)區(qū)越深表明其場(chǎng)強(qiáng)值越低,即該段煤層無(wú)線電波穿透能力低,屬于潛在的構(gòu)造異常區(qū)。圖8中各段情況反映的結(jié)果與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線(圖7)結(jié)果基本一致。

從圖8可以看出，槽波透射法和坑透法的實(shí)際探測(cè)結(jié)果的主要異常區(qū)位置較為吻合,這也說(shuō)明了探測(cè)結(jié)果的可靠程度較高,區(qū)別在于坑透異常區(qū)的縱向分辨率相對(duì)受限。

圖8 2307工作面槽波和坑透探測(cè)成果圖Fig.8 Detection result by in-seam wave transmission and pit penetration of 2307 working face

3 綜合探測(cè)成果探采對(duì)比分析

根據(jù)槽波和坑透探測(cè)成果,并結(jié)合工作面實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行精細(xì)化分析,最終綜合勘探成果圖可知,圖8所示F1和F2均為巷道揭露斷層(F126和F125)。F2斷層在坑透成果中未發(fā)現(xiàn)明顯異常,主要是由于其斷距為1.5 m,相對(duì)較小,坑透探測(cè)異常響應(yīng)不明顯所致,但在槽波成果中該斷層是有異常響應(yīng)的;F1斷層兩種成果異常區(qū)域較為吻合,對(duì)兩種成果綜合分析后對(duì)兩條斷層延伸情況進(jìn)行了推斷。

另外圖8中CBYC1和KTYC1與巷道揭露斷層F126位置吻合,且該斷層斷距3.7 m,工作面煤厚為4.5 m左右,斷距相對(duì)較大,初步分析異常即為該斷層的影響,但通過(guò)槽波原始數(shù)據(jù)來(lái)看,該區(qū)域槽波信號(hào)近乎屏蔽,且坑透實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線呈較為典型的“V”字型和“一”字型曲線,更接近陷落柱的構(gòu)造響應(yīng)特征,故最終推斷在該斷層附近可能發(fā)育有陷落柱,如圖9中X1所示。依據(jù)物探成果的反應(yīng)特征，在工作面回采前對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了陷落柱及斷層構(gòu)造的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),最終回采驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),該區(qū)域確實(shí)發(fā)育有一個(gè)大小為60 m×30 m的陷落柱,與探測(cè)成果近乎相同,同時(shí)巷道揭露的兩條斷層驗(yàn)證情況也較為吻合,整體綜合物探效果良好。

圖9 2307工作面探采對(duì)比成果圖Fig.9 Comparison of exploration and mining results of 2307 working face

綜上所述,本次物探成果在探明已知構(gòu)造發(fā)育情況的前提下,進(jìn)一步對(duì)物探數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)化分析,結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造的物探響應(yīng)特征,推斷出了斷層附近隱伏的陷落柱構(gòu)造,并與實(shí)際回采揭露情況相符,對(duì)礦井生產(chǎn)起到了良好的指導(dǎo)作用,避免了無(wú)計(jì)劃揭露陷落柱對(duì)工作面回采造成的較大影響,保證了礦井生產(chǎn)的正常銜接。

4 結(jié)論

1)回采工作面引進(jìn)槽波地震勘探技術(shù),并輔以無(wú)線電波透視(坑透)技術(shù)進(jìn)行構(gòu)造探查,可以彌補(bǔ)單一技術(shù)手段探測(cè)的缺陷,同時(shí)多手段技術(shù)的綜合精細(xì)化探測(cè)分析也是現(xiàn)今回采工作面構(gòu)造地球物理勘探的主流方式。

2)綜合物探成果必須要結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)情況進(jìn)行精細(xì)化分析,才能對(duì)構(gòu)造類(lèi)型進(jìn)行更為準(zhǔn)確的推斷。2307工作面在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中,專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了地質(zhì)資料的收集整理,對(duì)實(shí)際揭露的各類(lèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了匯總成圖,最終通過(guò)與槽波地震勘探和坑透的綜合探測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析,準(zhǔn)確地圈定了地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域,并發(fā)現(xiàn)了隱伏的陷落柱構(gòu)造,最大程度避免誤報(bào)漏報(bào)對(duì)礦井安全生產(chǎn)及采掘銜接的影響。

3)針對(duì)回采工作面內(nèi)部可能存在的隱伏構(gòu)造,不能僅僅依據(jù)物探成果圖異常反應(yīng)區(qū)域進(jìn)行判斷,必須結(jié)合整體數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的異常響應(yīng)特征進(jìn)行推斷,對(duì)每步的數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行精細(xì)化分析,最終準(zhǔn)確推斷回采工作面的構(gòu)造發(fā)育情況。

4)利用多種物探手段進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)分析,一方面可以提高探測(cè)準(zhǔn)確性,有效指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn);另一方面可以減少鉆探驗(yàn)證工程量和不必要的井巷工程。結(jié)合已有地質(zhì)資料和探測(cè)成果進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),避免誤報(bào)漏報(bào)等情況的發(fā)生,這對(duì)于礦井生產(chǎn)的指導(dǎo)作用是非常大的。