不規(guī)則工作面綜合物探設(shè)計(jì)施工方法研究

何繼剛

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

0 引言

煤礦工作面的布置形式在地質(zhì)情況較為簡(jiǎn)單情況下一般為矩形或近似矩形的形式，以方便支架支設(shè)、采煤機(jī)回采及其它地質(zhì)情況要求。但在地質(zhì)條件較為復(fù)雜地區(qū)沿?cái)鄬拥鹊刭|(zhì)構(gòu)造圈定的工作面、回采三角煤布置的工作面、采掘生產(chǎn)遺留的煤柱工作面，均極大程度會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則工作面，也稱異形工作面。

煤層在掘進(jìn)完畢形成工作面后，安裝采煤機(jī)進(jìn)行回采之前，為保證安全回采須進(jìn)行綜合物探設(shè)計(jì)及施工。綜合物探即是采用2 種以上的物探方法對(duì)工作面內(nèi)部隱伏導(dǎo)、含水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。其中無線電波坑道透視和瞬變電磁方法為應(yīng)用最廣、技術(shù)效果最好、最具代表性的物探方法。

1 物探方法原理

1.1 瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)首先應(yīng)用在地面物探，因其具有定向性好、對(duì)水敏感等特點(diǎn)，隨應(yīng)用需求逐漸發(fā)展為礦井物探的一種方法。瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

1.2 無線電波坑道透視技術(shù)

無線電波坑道透視方法是借助于研究高頻電磁波在巖石中傳播規(guī)律，從而揭示地下構(gòu)造形態(tài)的一種物探方法。由于電磁波在煤層中傳播時(shí)，不同電阻率的介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收不同，電阻率小的介質(zhì)，對(duì)無線電波吸收強(qiáng)，接收到的無線電波強(qiáng)度就小，和理論場(chǎng)強(qiáng)相比較，會(huì)形成“陰影區(qū)”。根據(jù)“陰影區(qū)”的情況，就可以判斷出地質(zhì)異常體的存在。

2 規(guī)則工作面物探布置方法

規(guī)則工作面（圖1） 的基本形式為矩形或者近似矩形，因其具有良好的回采效率和回采工效，這種布置方式被廣泛應(yīng)用在全國(guó)各個(gè)煤礦。

圖1 規(guī)則工作面及其物探布置形式Fig.1 Regular working face and its geophysical exploration layout form

無線電波坑道透視在規(guī)則工作面施工時(shí)一般采用固定單一頻率發(fā)射。發(fā)射點(diǎn)間隔一定距離布置，并根據(jù)發(fā)射點(diǎn)位置在對(duì)巷呈扇形設(shè)置接收點(diǎn)。發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)位置及間隔依工作面寬度、現(xiàn)場(chǎng)揭露地質(zhì)構(gòu)造等確定。

瞬變電磁探測(cè)工作在兩巷及切眼處施工時(shí)僅需采用垂直巷道方向?qū)ぷ髅孢M(jìn)行探測(cè)，在切眼和上下巷拐角處施工瞬變電磁超前探測(cè)，這滿足了對(duì)工作面內(nèi)外探測(cè)的要求。

規(guī)則工作面探測(cè)角度布置形式如圖2 所示。

圖2 規(guī)則工作面探測(cè)角度布置形式Fig.2 Regular working face detection angle layout form

3 不規(guī)則工作面概況

羊東礦06202（Ⅰ塊） 工作面煤層為二疊系山西組2 號(hào)煤（頂層），煤厚5.3 ～6.7 m，平均厚度6 m，煤層穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普遍含1 層夾石，較穩(wěn)定，頂夾石厚0.05 m，為炭質(zhì)粉砂巖，距頂板0.5 ～0.6 m。該工作面回采過程中將揭露4 條正斷層，落差1.7 ～4.5 m。其中，對(duì)該工作面回采過程中影響大的斷層為F202-24、F202-24 斷層。

06202 （Ⅰ塊） 工作面為大煤煤層工作面，煤層底板標(biāo)高-18—-50 m，回采前地質(zhì)及水文地質(zhì)條件已查明。工作面西南部為6251、6255 采空區(qū)，該采空區(qū)水文地質(zhì)條件清楚、簡(jiǎn)單，采空區(qū)內(nèi)不存在積水，故不受老空水威脅。根據(jù)該工作面兩巷及周邊實(shí)際揭露斷層情況，斷層均不導(dǎo)水。斷層實(shí)際揭露局部?jī)H有少量滴、淋水現(xiàn)象，水源為大煤頂板砂巖水可逐漸疏干，工作面回采不受斷層導(dǎo)水威脅。該工作面開采范圍內(nèi)不存在封閉不良鉆孔，故不受封閉不良鉆孔導(dǎo)水威脅。該工作面為淺部2 號(hào)煤煤層工作面，位于大青第Ⅳ單元，該區(qū)大青灰?guī)r水位穩(wěn)定在+120 m。工作面煤層距下伏大青灰?guī)r含水層頂面113.4 m，工作面開采最低標(biāo)高為-50 m。該工作面煤層距下伏奧陶系灰?guī)r含水層頂面150.3 m，開采最低標(biāo)高為-50 m，近3 a 奧灰水位為+136 m，隔水層底板承受的水壓為3.37 MPa。

4 不規(guī)則工作面物探布置形式

4.1 坑透布置形式

坑透探測(cè)范圍為06202（Ⅰ塊） 整個(gè)工作面。工作面由K1、K2、K3 三個(gè)部分組成。工作面內(nèi)沿06202（Ⅰ塊） 工作面K1 區(qū)和K2 區(qū)運(yùn)料巷和溜子道分別布置發(fā)射點(diǎn)10 個(gè)，共計(jì)20 個(gè)；沿06202（Ⅰ塊） K3 區(qū)左巷和右巷分別布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)間距50 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)接收15 個(gè)點(diǎn)，接收點(diǎn)間距10 m，接收點(diǎn)共計(jì)約300 個(gè)。

對(duì)比規(guī)則工作面，該工作面K1 和K2 區(qū)域的寬度變化幅度不大，但相比K3 區(qū)的寬度差別幅度較大，而且在K1 ～K2 區(qū)，工作面寬度有漸變?cè)黾拥内厔?shì)，且存在一條已掘聯(lián)巷，這些均導(dǎo)致在施工坑透的過程中，必須要避免轉(zhuǎn)角處探測(cè)盲區(qū)，在工作面寬度變化較大時(shí)更改發(fā)射頻率，增加并合理設(shè)置發(fā)射點(diǎn)等問題。

經(jīng)研究后，在該工作面K1 和K2 區(qū)聯(lián)合進(jìn)行探測(cè)；在K3 區(qū)和K1 區(qū)運(yùn)料巷0 ～200 m 運(yùn)輸巷0～120 m 采用1.5 MHz 發(fā)射頻率；在K2 大部分區(qū)域采用0.5 MHz 發(fā)射頻率；在溜子道100 ～150 m 減小發(fā)射點(diǎn)距離。對(duì)比規(guī)則工作面的布置要求，該工作面的坑透設(shè)計(jì)及施工更加復(fù)雜和需要精細(xì)化，在拐角及寬度變化較大區(qū)域需及時(shí)調(diào)整發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)位置及數(shù)量，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4.2 瞬變電磁布置形式

探測(cè)范圍為06202（Ⅰ塊） 工作面內(nèi)部及外圍60 m 范圍。對(duì)比分析規(guī)則工作面，該工作面巷道的拐角處會(huì)產(chǎn)生探測(cè)盲區(qū)和探測(cè)重疊區(qū)域；工作面寬度變化大，采用相同的探測(cè)角度不滿足探測(cè)深度及方向要求。

經(jīng)研究分析后，設(shè)計(jì)施工工作面測(cè)線布置情況如下。

（1） 在兩巷拐角處及兩巷與切眼交匯處分別布置增加超前4 組，以保證探測(cè)范圍內(nèi)工作面外圍無盲區(qū)。

（2） 運(yùn)料巷0 ～220 m，溜子道0 ～130 m。

運(yùn)料巷布置測(cè)線長(zhǎng)度220 m。里幫-35°、-60°，外幫-45°、-75°，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

溜子道布置測(cè)線長(zhǎng)度130 m。里幫-35°、-60°，外幫-45°、-75°，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

（3） 運(yùn)料巷220 ～380 m，溜子道130 ～350 m，及K3 區(qū)域。

運(yùn)料巷布置測(cè)線長(zhǎng)度160 m。里幫-30°、-50°、-80°，外幫-40°、-75°，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

溜子道布置測(cè)線長(zhǎng)度130 m。里幫-20°、-40°、-70°，外幫-50°、-85°，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

切眼布置測(cè)線長(zhǎng)度60 m。外幫0、-45°、-75°，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

06202 （Ⅰ） 塊不規(guī)則工作面及物探布置形式如圖3 所示。 06202（Ⅰ） 塊不規(guī)則工作面探測(cè)角度布置形式如圖4 所示。

圖3 06202（Ⅰ） 塊不規(guī)則工作面及物探布置形式Fig.3 Irregular working face and geophysical exploration layout form in No.06202（Ⅰ） area

圖4 06202（Ⅰ） 塊不規(guī)則工作面探測(cè)角度布置形式Fig.4 Irregular working face detection angle layout form in No.06202（Ⅰ） area

4.3 物探成果分析

根據(jù)數(shù)據(jù)繪制物探成果圖，經(jīng)分析圈定1 處地質(zhì)構(gòu)造異常（KT1），依據(jù)坑透數(shù)據(jù)圈定；瞬變電磁未圈定異常區(qū)。分析為巷道已揭露的H=8 m 斷層向工作面內(nèi)延伸所產(chǎn)生的影響。

圖5 06202（Ⅰ） 塊不規(guī)則工作面物探成果Fig.5 Irregular working face geophysical exploration results in No.06202（Ⅰ） area

5 結(jié)語

不規(guī)則工作面對(duì)比規(guī)則工作面在設(shè)計(jì)施工綜合物探時(shí)需要考慮更多因素。在坑透工作時(shí)需增加考慮發(fā)射點(diǎn)頻率變化，發(fā)射、接收點(diǎn)位置調(diào)整等；在瞬變工作時(shí)需增加考慮因?qū)挾茸兓瘜?dǎo)致的探測(cè)角度變化，巷道增加的拐角處會(huì)產(chǎn)生探測(cè)盲區(qū)和探測(cè)重疊區(qū)域，并利用增加小范圍超前來解決。