綜合物探在采煤工作面構(gòu)造及富水性探查中應(yīng)用分析

＊李世斌

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦 山西 032306）

對于采煤工作面來說，一旦受到了區(qū)域斷層的影響，整個(gè)工作面的走向就會形成切斜狀的背斜構(gòu)造，這對煤炭回采會產(chǎn)生比較大的影響。而且如果采煤工作面的構(gòu)造中含水層比較多，那么也會影響煤炭回采的效果。所以就要對煤炭工作面的構(gòu)造以及富水性情況進(jìn)行探測，在探測過程中，可以采用綜合物探技術(shù)，利用瞬變電磁法、音頻電透視法等方法，對其進(jìn)行綜合探測，保證探測效果得到提升。

1.采煤工作面地質(zhì)情況

為了能夠保證煤炭采集更高效，大部分的采煤工作面都處于三采區(qū)，屬于野青解放層采煤工作面，工作面的高程是在-495m到-545m之一區(qū)域內(nèi)。在采煤整個(gè)工作面中，煤層是屬于石炭系太原組底層，其穩(wěn)定度比較高，而且內(nèi)部的煤層厚度大概在1.2～1.6m之間。對于工作面頂板來說，其屬于野青石灰?guī)r類型，砂質(zhì)屬于泥巖，而工作面的底板則是由細(xì)砂巖和粉砂巖這兩種土質(zhì)組成。在進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工時(shí)，在采煤工作面中發(fā)現(xiàn)了38條正斷層，其斷距大約為0.2～4m，一旦斷距超過了1m，那么就會對工作面回采工作產(chǎn)生影響。而在采煤工作面中，含水層主要是包括石灰?guī)r、大青灰?guī)r、野青灰?guī)r、巖溶縫隙等類型的含水層[1]。采煤工作面也存在積水采空區(qū)，積水的水位大約是在-454m左右，其積水的水量則是在2600m3，尤其是在工作面進(jìn)行回采之后，工作面頂板的裂縫中就可能會出現(xiàn)滴淋水，對采煤產(chǎn)生影響。

2.綜合物探技術(shù)

（1）礦井瞬變電磁法。對于礦井瞬變電磁法來說，其是綜合物探技術(shù)中的一個(gè)主要探測方法，這一方法在進(jìn)行探測的時(shí)候主要是以磁源作為激勵(lì)場源，這樣才能激發(fā)出可以向介質(zhì)傳播的一種瞬變電磁場，這種電磁場也就是一次脈沖磁場。在一次脈沖磁場運(yùn)行過程中，會出現(xiàn)間隙情況，在間歇時(shí)接收到介質(zhì)，就會引起二次感應(yīng)渦流場，這一磁場就可以更好地對地下介質(zhì)的電阻率情況進(jìn)行探測。由于礦井瞬變電磁技術(shù)對低阻體相對比較敏感，而且探測的距離比較遠(yuǎn)，探測方向比較準(zhǔn)確，所以在對采煤工作面的構(gòu)造和富水情況進(jìn)行探測的時(shí)候，就會采用這一技術(shù)，可以更好地了解工作面的結(jié)構(gòu)以及含水現(xiàn)象，為后續(xù)的回采提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）音頻電透視法。音頻電透視方法在應(yīng)用的時(shí)候，需要先建立全空間電場，然后對全空間電場在采用工作面內(nèi)部的分布情況進(jìn)行觀測，進(jìn)而可以全面掌握工作面內(nèi)部的地質(zhì)信息，這也是一種物探方法。在進(jìn)行施工時(shí)，需要在工作面的巷道中，先建立人工場源，然后在另一條巷道所對應(yīng)的扇形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信息接收，把工作面中的含水構(gòu)造模擬成局部低阻良導(dǎo)電的異常體，并且通過分析全空間電場的分布情況，來探測到異常體內(nèi)的一些特征。在探測的過程中，由于低阻體可以吸收電流，所以工作面內(nèi)的含水構(gòu)造就會顯示出高電導(dǎo)率的特點(diǎn)。在利用音頻電透視法進(jìn)行探測的時(shí)候，如果工作面的地層垂向結(jié)構(gòu)相同，橫向也比較均衡，那么在探測結(jié)果中，電導(dǎo)率數(shù)值越高，異常的幅度越大，也就說明工作面的含水性越強(qiáng)[2]。

（3）無線電波透視技術(shù)。在采用無線電波透視技術(shù)進(jìn)行工作面構(gòu)造及富水性探測的時(shí)候，其主要的原理就是根據(jù)電磁波的電阻率和介電常數(shù)，了解工作面內(nèi)部地質(zhì)的異?，F(xiàn)象。主要是讓電磁波在煤層中進(jìn)行傳播，傳播的時(shí)候其電阻率和介電常數(shù)就存在了差異性，對電磁波的吸收也就不同，根據(jù)電磁波吸收狀況，就可以對獨(dú)一工作面的地質(zhì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行探測。在正常情況下，此技術(shù)是需要在工作面順煤層的兩個(gè)巷道內(nèi)進(jìn)行，其中煤層中的一些斷層、破碎帶以及富含水區(qū)等構(gòu)造，都能對電磁波進(jìn)行折射、反射或者是吸收，這樣就造成電磁波能量出現(xiàn)損耗，根據(jù)損耗情況就會形成透視陰影的異常區(qū)域。在探測的時(shí)候，如果工作面內(nèi)存在地質(zhì)異常體，那么其衰減系數(shù)就比較大，如果不存在異常體，那么其衰減系數(shù)就比較小，故可以根據(jù)衰減系數(shù)，來探測工作面內(nèi)是否存在異?，F(xiàn)象，保證探測更加全面。

（4）并行電法。并行電法主要是一種直流電數(shù)據(jù)的采集方法，是基于高密度的電阻率方法所形成的，并行則是在發(fā)射電極進(jìn)行供電時(shí)，對電位差信息進(jìn)行測試，是一種直流電數(shù)據(jù)采集的方式。這種方法可以保證在采集數(shù)據(jù)時(shí)，電極不會出現(xiàn)閑置，提升工作效率，而且數(shù)據(jù)采集的效果也比較好。對于并行電法來說，其主要分為AM法以及ABM法，在相同的時(shí)間內(nèi)，AM法所采集的數(shù)據(jù)是串行數(shù)據(jù)采集的(s-1)(s+3)/3倍，而采用ABM法進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)，則是串行數(shù)據(jù)采集的(s-2)(s-3)/2倍，其中S主要指的是電極數(shù)。在采集的時(shí)候，并行電法可以掌握自然場、一次場以及二次場的信息，并且通過計(jì)算，得出電場、電阻率等方面的信息，讓采集的數(shù)據(jù)更加豐富。并行電法在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，其具有同時(shí)性以及瞬時(shí)性，可以在供電時(shí)得到全部的電位曲線數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)采集更加真實(shí)，保證可以全面了解采煤工作面的構(gòu)造以及富水性的情況。

3.采煤工作面構(gòu)造及富水性的綜合物探操作

（1）礦井瞬變電磁的具體探測及結(jié)果。采用綜合物探的方法，可以對采煤工作面構(gòu)造進(jìn)行綜合的探測，可以采用瞬變電磁和無線電波透視兩種方法進(jìn)行綜合的探測。在綜合物探中，礦井瞬變電磁的應(yīng)用，就是根據(jù)多條小線框來發(fā)射電磁場的方向性，并且在探測中，認(rèn)為線框的平面法線方向就是瞬變電磁的具體探測方向[3]。在采煤工作面進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候，主要是在工作面的上下順槽以及切巷等區(qū)域內(nèi)布置相關(guān)的測點(diǎn)，測點(diǎn)之間的距離要控制在10m，一個(gè)完整的工作面中，可以設(shè)置120個(gè)左右的測點(diǎn)。在探測時(shí)，主要是以順工作面的煤層作為探測的基準(zhǔn)，并且在底板方向，對幾個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行探測，主要是以發(fā)散的形式進(jìn)行探測，讓整個(gè)探測更加全面。在進(jìn)行探測的時(shí)候，儀器也要選擇YCS1024瞬變電磁儀，這一設(shè)備的邊長為1.5m，是一種正方形的重疊回線探測設(shè)備，能夠保證探測效果更好。

在探測結(jié)束之后，可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，計(jì)算出電阻率，然后開展時(shí)深轉(zhuǎn)換處理方法，通過轉(zhuǎn)換可以得到瞬變電磁探測的深度數(shù)據(jù)。此外，也要盡量提取和工作面比較近的含水層，這部分區(qū)域一般是伏青層，底板下放的深度為26m，對這一區(qū)域的電阻率開展瞬變電磁探測方法，建立基礎(chǔ)的坐標(biāo)系，然后繪制出探測巖層的切片效果。根據(jù)具體的數(shù)據(jù)可以了解到，視電阻率的分布相對比較均勻，而且并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的低阻情況，通過這一探測結(jié)果就可以了解到這一巖層的整體富水性是比較弱的。而且在回采之后，所了解的情況和探測的結(jié)果是相符合的，都沒有發(fā)現(xiàn)底板出現(xiàn)出水情況，其富水性比較弱。

（2）無線電波透視探測技術(shù)。在采用無線電波透視方法進(jìn)行采煤工作面構(gòu)造探測的時(shí)候，主要采用的是分辨率相對比較高的定點(diǎn)方法，也就是保證發(fā)射機(jī)是相對固定的，接收機(jī)則是在另一個(gè)相對應(yīng)的巷道范圍內(nèi)，注意接受發(fā)射機(jī)所發(fā)射的相關(guān)數(shù)值。在實(shí)際采煤工作面中，無線電波透視工作主要是在上下順槽之間的區(qū)域進(jìn)行的，其中上順槽需要布置40個(gè)測試點(diǎn)，而下順槽則需要布置41個(gè)測試點(diǎn)，在接收點(diǎn)位布置的時(shí)候，每一點(diǎn)位之間的距離需要控制在10m左右，而在布置發(fā)射點(diǎn)的時(shí)候，其每一點(diǎn)位之間的距離需要控制在50m。其中1個(gè)發(fā)射點(diǎn)需要對應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn)。所以在采用無線電波透視探測技術(shù)對工作面構(gòu)造進(jìn)行探測的時(shí)候，就需要布置16個(gè)發(fā)射點(diǎn)，同時(shí)對應(yīng)布置83個(gè)接收測點(diǎn)。在進(jìn)行透視探測的過程中，也要選擇WKT-E類型的無線電波透視儀，為了能夠保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量得到提升，所以在開展透視工作之前，需要先對其進(jìn)行頻率的試驗(yàn)，可以在構(gòu)造相對簡單的區(qū)域進(jìn)行，測試的頻率數(shù)是穩(wěn)定的之后，才能進(jìn)行深入的探測[4]。

在探測結(jié)束之后，就要對探測出來的具體結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)過無線電波透視探測技術(shù)，采煤工作面現(xiàn)場的強(qiáng)衰減系數(shù)是在0.25～0.42之間，而且工作面整體的衰減系數(shù)是不均勻的，這就說明工作面內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，而且異常區(qū)的衰減系數(shù)大于0.36。經(jīng)過探測發(fā)現(xiàn)，在采煤工作面內(nèi)有一個(gè)異常區(qū)，其位于下順槽區(qū)域，異常的規(guī)模比較大，把探測的數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料結(jié)合起來分析，發(fā)生這一異常區(qū)的主要原因是下順槽揭露的斷層逐漸向工作面內(nèi)進(jìn)行延伸，一直延伸到隱伏斷層中，而且隱伏小斷層也是造成衰減的主要原因。在工作面切巷50m的范圍內(nèi)，具有多條小斷層，但是由于其受到貫通巷道的影響，所以接受場的數(shù)值比較大。在進(jìn)行無線電波透視探測之后，受到了探測頻率以及透視方法的影響，其垂直的工作面走向斷層的探測效果是比較差的。為了能夠提升探測水平，那么就可以結(jié)合瞬變電磁探測方法，實(shí)現(xiàn)綜合物探效果，讓工作面的探測更準(zhǔn)確。

（3）音頻電透視工作面含水構(gòu)造。在對采煤工作面的地質(zhì)進(jìn)行勘測之后了解到，大部分采煤工作面的頂板上方是由粗砂巖、中砂巖以及細(xì)砂巖等多層含水層組成的。在工作面進(jìn)行回采時(shí)，工作面頂板的含水層就會成為工作面的直接沖水含水層，由于工作面在進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作的時(shí)候，會揭露斷層構(gòu)造，這就會導(dǎo)致工作面頂板砂巖裂隙的富水是不均勻的，對礦井的安全開采造成了影響。在這一狀況下，就可以利用音頻電透視的方法，來對工作面的含水構(gòu)造進(jìn)行探測，利用此方法在工作面的回風(fēng)巷發(fā)射音頻信號，然后在運(yùn)輸巷接收信號，并且在探測的時(shí)候，可以采用平行單級-偶級的測量設(shè)備，發(fā)射可以采用低頻或者是高頻發(fā)射，低頻發(fā)射控制在15Hz左右，高頻發(fā)射控制在120Hz左右，在間隔50m的距離設(shè)置一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在另一個(gè)巷道中，間隔10m的距離設(shè)置一個(gè)接收點(diǎn)，保證發(fā)射、接收是同步的，進(jìn)而來測量工作面內(nèi)部含水構(gòu)造的情況。

在對工作面的含水構(gòu)造進(jìn)行音頻探測之后，其探測的結(jié)果主要包括3個(gè)地方的異常，第一個(gè)異常是分布在運(yùn)輸巷一側(cè)400m左右的范圍，以及回風(fēng)巷240～360m的局部區(qū)域中，如果異常情況較小，而且遠(yuǎn)離切眼，那么就會隨著深度的增加而消失，其他的異常區(qū)域都是隨著探測的深入都增大。當(dāng)異常范圍在逐漸減小時(shí)，異常的強(qiáng)度也在逐漸減弱，而且異常上下都具有連接貫通的關(guān)系。第二個(gè)異常點(diǎn)位是分布運(yùn)輸港一側(cè)760m左右的范圍，以及回風(fēng)巷750～830m的局部區(qū)域中，異常范圍是比較小的。第三個(gè)異常點(diǎn)則是分布在運(yùn)輸港一側(cè)1440m左右的范圍，以及回風(fēng)巷1600～1800m的局部區(qū)域中，隨著探測的深度在不斷增加，異常的范圍也在逐漸減小，異常的衰減強(qiáng)度也在降低。通過采用音頻電透視方法對工作面的含水構(gòu)造進(jìn)行分析，探測相對比較準(zhǔn)確，可以了解到不同異常區(qū)域的范圍，增強(qiáng)對工作面構(gòu)造的了解程度[5]。

（4）并行電法探測方案及結(jié)果分析。在運(yùn)用并行電法進(jìn)行探測的時(shí)候，主要是在工作面的回風(fēng)順槽頂板以及運(yùn)輸順槽的頂板位置，分別布置一條測線，在布置的過程中，電極之間的間距需要控制在10m左右的距離，同時(shí)測線的長度要和采煤工作面的實(shí)際相吻合。在正常情況下，會設(shè)置3條長度為800m的測線，測線的總長度大約在2400m，保證對采煤工作面的構(gòu)造進(jìn)行全方位探測。

4.結(jié)論

綜上所述，分析了綜合物探在采煤工作面探測中的具體應(yīng)用，可以讓工作面構(gòu)造、富水性的探測水平得到提升，其探測的效果更強(qiáng)。在進(jìn)行綜合物探的時(shí)候，主要采用礦井瞬變電磁、無線電波透視、音頻電透視以及并行電法，保證對工作面的構(gòu)造情況和富水情況的探測更加全面、精準(zhǔn)，讓采煤工作可以順利開展下去。