2105順槽掘進(jìn)工作面瞬變電磁探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

黃冰冰

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

潞安集團(tuán)黑龍煤業(yè)2105工作面開采9#+10#+11#煤層。煤層賦存于石炭系太原組地層下段，上部9#煤與10#+11#煤之間有一層夾矸較厚平均為1.6 m，10#與11#煤層合并；9#煤平均厚度0.8 m，10#+11#煤平均厚度4.8 m，煤層上方無直接頂，基本頂巖層為石灰?guī)r，均厚13.7 m。2105工作面頂板主要充水因素為K2、K3、K4灰?guī)r裂隙水和上覆2#煤層采空區(qū)積水，其中K2灰?guī)r、K3灰?guī)r及K4灰?guī)r與煤層的間距分別為42 m、55 m和68 m。根據(jù)鉆孔201資料顯示，9#煤層頂板距2#煤層底板間距86.6 m，而采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度達(dá)到90～112 m，結(jié)合物探資料分析，2105工作面主要水害威脅來自頂板垮落后，采空區(qū)上方裂隙導(dǎo)通2#煤層采空區(qū)積水和K2、K3、K4灰?guī)r裂隙水。根據(jù)鄰近工作面回采生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，2105工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道掘進(jìn)前方60 m存在一處X23陷落柱，陷落柱的范圍及富水性未知，現(xiàn)擬采用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)進(jìn)行陷落柱區(qū)域富水性的探測(cè)分析。

2 陷落柱瞬變電磁響應(yīng)特征

石灰?guī)r在水的沖蝕作用下會(huì)逐漸形成空洞區(qū)域，空洞區(qū)域在覆巖自重影響下會(huì)逐漸塌陷，進(jìn)而形成巖溶陷落柱。陷落柱形態(tài)一般為橢圓形和圓柱形，陷落柱內(nèi)部充填物的成分較為混亂，充填物整體較為松散，陷落柱一般具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性。陷落柱內(nèi)部充填物一般表現(xiàn)為高阻特性，陷落柱邊緣界限3～5 m范圍內(nèi)的巖體一般裂隙發(fā)育亦呈現(xiàn)出高阻特性[1-3]。

現(xiàn)根據(jù)2105工作面的地質(zhì)條件，建立掘進(jìn)工作面含水陷落柱的地電模型。模型將陷落柱設(shè)置在掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)域，設(shè)置模型半徑為20 m，設(shè)置柱體軸線與迎頭間的距離為60 m，設(shè)置煤層厚度為7.2 m，煤層電阻率為800 Ω·m。根據(jù)2105工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行各巖層參數(shù)的賦值，模型中設(shè)置頂板石灰?guī)r電阻率200 Ω·m，底板細(xì)砂巖電阻率為400 Ω·m。巷道截面大小為6 m×6 m，具體陷落柱與掘進(jìn)迎頭間的平面如圖1所示。模型中巷道共計(jì)布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距為10 m，發(fā)射和回線裝置大小為2 m×2 m[4-5]。

圖1 掘進(jìn)工作面?zhèn)葞秃萋渲矫?/p>

為掌握含水陷落柱發(fā)育的具體情況，在進(jìn)行含水陷落柱探測(cè)時(shí)，分別從順煤層方向和沿煤層頂板方向進(jìn)行探測(cè)，超前探測(cè)方式如圖2所示。探測(cè)模擬分析時(shí)，從巷道左幫每間隔15°布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，巷道右?guī)吞綔y(cè)從迎頭90°開始，每間隔15°布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)作業(yè)[6-7]。

圖2 掘進(jìn)工作面超前探測(cè)

根據(jù)正演數(shù)值模擬結(jié)果得出扇形視電阻率的等值線斷面如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)工作面含水陷落柱視電阻率等值線擬斷面

圖3中橫坐標(biāo)中負(fù)值代表巷道左側(cè)幫巖體與巷中的距離，正值代表右側(cè)幫巖體距巷中的距離，縱坐標(biāo)代表巷道掘進(jìn)方向。圖中煤層頂板方向的探測(cè)結(jié)果能夠看出巷道迎頭區(qū)域電阻率呈現(xiàn)為圓形分布，且隨著距離掘進(jìn)迎頭距離的減小，電阻率的半徑在逐漸減小；圖中能夠看出巷道迎頭頂板前方低阻異常區(qū)（電阻率小于140 Ω·m）主要位于迎頭前方50～80 m的范圍內(nèi)。分析順煤層方向的視電阻率等值線斷面圖能夠看出，隨著距離掘進(jìn)迎頭距離的增大，電阻率半徑逐漸增大，且電阻率等值線基本呈現(xiàn)為以迎頭為圓心的圓形分布；順煤層方向視電阻率低阻異常區(qū)（電阻率小于160 Ω·m）位于迎頭前方50～75 m的范圍內(nèi)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，該低阻異常區(qū)域的位置與含水陷落柱的位置基本吻合，據(jù)此可知陷落柱（定名X23）發(fā)育在煤層頂板區(qū)域，含水陷落柱發(fā)育形狀近似為橢圓形，低阻異常區(qū)域在巷道兩幫的方向上的延伸范圍較大。

3 瞬變電磁探測(cè)工程實(shí)踐

2015工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面前方發(fā)育有X23陷落柱。為準(zhǔn)確掌握陷落柱發(fā)育形態(tài)及含水特性，采用瞬變電磁法進(jìn)行巷道前方富水情況的探測(cè)。通過在巷道迎頭布置扇形測(cè)點(diǎn)的方式對(duì)巷道迎頭前方全斷面范圍內(nèi)煤巖體的富水情況進(jìn)行探測(cè)分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖4（a）所示。為全面掌握巷道迎頭前方陷落柱發(fā)育深度和發(fā)育范圍，探測(cè)作業(yè)時(shí)，在工作面三個(gè)方向，即迎頭前方頂板、煤層和底板三個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)方向及線圈布置如圖4（b）所示。

圖4 巷道掘進(jìn)迎頭測(cè)點(diǎn)布置及探測(cè)方向

根據(jù)巷道迎頭的探測(cè)結(jié)果，得出迎頭前方頂板方向、順煤層方向和底板方向的視電阻率等值線圖，如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別為垂直巷道軸向方向和平行巷道軸線方向的距離，其中橫坐標(biāo)正負(fù)值分別表示巷道左幫和右?guī)停豢v坐標(biāo)為巷道掘進(jìn)方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為巷道迎頭中心點(diǎn)。

圖5 掘進(jìn)工作面瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線

分析圖5可知，圖5（a）頂板方向視電阻等值線圖方面，在巷道迎頭前方50 m范圍內(nèi)，電阻率數(shù)值均小于6 Ω·m，基于該數(shù)據(jù)，該區(qū)域內(nèi)的巖層穩(wěn)定較差，巖層內(nèi)的整體富水性弱；在巷道迎頭前方左幫大于50 m的位置，視電阻率數(shù)值小于6 Ω·m，該區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低阻異常區(qū)。根據(jù)上述分析，在巷道迎頭前方左幫區(qū)域內(nèi)巖層的富水性較強(qiáng)。圖5（b）在順層方向視電阻等值線圖方面，巷道迎頭前方左幫大于45 m的范圍內(nèi)，其視電阻率小于6 Ω·m，為低阻異常區(qū)域，表明迎頭前方左幫為巖層富水性較強(qiáng)區(qū)域。圖5（c）底板方向視電阻率等值線分布方面，在迎頭前方左幫大于40 m的范圍內(nèi)，視電阻率等值線數(shù)值小于6 Ω·m，為相對(duì)低阻異常區(qū)域，表明該區(qū)域內(nèi)裂隙和構(gòu)造較為發(fā)育，據(jù)此可知迎頭前方左側(cè)幫整體的巖層富水性較強(qiáng)。

綜合上述分析結(jié)果，巷道迎頭在三個(gè)方向的探測(cè)結(jié)果均顯示迎頭左幫具有較強(qiáng)的低阻異常響應(yīng)，綜合瞬變電磁響應(yīng)特征，異常體貫通煤層頂板和底板，其異常體與深部巖層間有較強(qiáng)的水力聯(lián)系；巷道前方50 m為含水陷落柱區(qū)域，含水陷落柱具有較強(qiáng)的富水性，巷道掘進(jìn)時(shí)需采取有效的疏放措施，確保安全后方可掘進(jìn)。

巷道掘進(jìn)期間，在迎頭布置疏放水鉆孔，具體驗(yàn)證鉆孔及放水?dāng)?shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)鉆探驗(yàn)證結(jié)果，巷道迎頭前方50 m處為含水陷落柱，經(jīng)有效疏放后，巷道順利掘進(jìn)通過含水陷落柱區(qū)域。瞬變電磁探測(cè)技術(shù)為巷道安全掘進(jìn)通過陷落柱區(qū)域提供了有效保障。

表1 驗(yàn)證鉆孔及放水鉆孔數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

根據(jù)2015工作面頂?shù)装鍘r層地質(zhì)水文特征，通過數(shù)值模擬分析陷落柱瞬變電磁響應(yīng)特征，得出巷道迎頭前方含水陷落柱位置出現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。根據(jù)巷道迎頭瞬變電磁的探測(cè)結(jié)果，巷道前方50 m為含水陷落柱區(qū)域，陷落柱左幫富水性較強(qiáng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程鉆孔驗(yàn)證，與瞬變電磁探測(cè)結(jié)果一致。上述探測(cè)方法為巷道安全順利掘進(jìn)通過陷落柱區(qū)域提供了技術(shù)保障。