礦井回采工作面隱蔽災害綜合物探技術研究

牟 義，徐 慧，竇文武，樊林林，李梓毓，李江華，焦 陽

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司 物探工程分公司，山西 晉城 048006)

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礦井回采工作面隱蔽災害綜合物探技術研究

牟 義1,2,3，徐 慧1,2,3，竇文武3，樊林林3，李梓毓3，李江華1,2,3，焦 陽3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司 物探工程分公司，山西 晉城 048006)

采用槽波地震法、無線電波透視法、瞬變電磁法、音頻電透視法來查明晉煤礦區(qū)采煤工作面區(qū)域隱蔽災害情況，提前采取防治措施以保證安全回采。探測結果表明：槽波地震法、無線電波透視法均可探測工作面內部斷層、陷落柱和煤厚變化帶等隱蔽地質體；槽波地震法可實現(xiàn)盤區(qū)以及超寬工作面探測，并可探測瓦斯富集區(qū)、應力集中區(qū)，對陷落柱反映敏感，探測精度高；無線電波透視法對斷層等構造反映靈敏，可以探測中小斷距斷層，實現(xiàn)精確定位；瞬變電磁法、音頻電透視法可探測工作面區(qū)域富水情況，瞬變電磁法探測范圍廣，可實現(xiàn)煤層周邊區(qū)域全空間360°范圍探測；音頻電透視法可探測煤層內部富水情況，也可用于探測復雜采動的復采工作面，對空巷、房柱式采空區(qū)探測效果極佳。針對采煤工作面的地質條件，合理選用上述一種或幾種物探方法，可實現(xiàn)工作面隱蔽構造的精細探測，為工作面安全回采提供保障。

隱蔽災害；綜合物探；槽波地震法；無線電波透視法；瞬變電磁法；音頻電透視法

隱蔽災害是煤礦災害事故的主要根源，嚴重威脅礦井安全生產。近幾年，晉煤礦區(qū)已經發(fā)生多起透水事故或未遂水害事故，例如：2010年6月3日，郊南煤礦發(fā)生一起水害事故，事故直接經濟損失約979.9233萬元；2013年10月19日，朝陽煤業(yè)副斜井在穿9號煤過程中發(fā)生重大未遂水害事故，右?guī)椭ёo錨桿時發(fā)生滲水，之后大量出水；2015年2月13日，東溝煤業(yè)發(fā)生一起突水事故，經濟損失巨大。因此，提前對隱蔽災害進行探測和防治，探明災害的位置、范圍及通道，有計劃、有步驟、有針對性地做好回采工作面災害防治工作，是確保礦井安全生產的重要手段[1-3]。

采用槽波地震勘探法、瞬變電磁法、無線電波透視法、音頻電透視法等物探方法對晉煤集團所有煤礦進行大規(guī)模、長周期、復雜地質采礦條件下的隱蔽致災地質因素全覆蓋探測是國內首例。本文介紹了上述物探方法的基本原理，分析了井下工作面現(xiàn)場施工方案和適用范圍，并結合探測實例研究總結了各探測技術的應用效果，為今后工作面隱蔽災害探測提供一定的借鑒經驗[4-5]。

1 礦區(qū)概況

晉煤集團現(xiàn)有12座主力生產礦井和44座資源整合礦井，設計生產能力70.85Mt/a。煤系地層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，其中主要可采煤層為3號、9號、15號煤層。各井田內小斷層較發(fā)育，并發(fā)育有密度不一的陷落柱。目前影響礦井安全生產的水源主要有老空積水、砂巖裂隙水、構造水、封閉不良鉆孔水、煤層下伏的奧陶系巖溶水、大氣降水、地表河水等。尤其整合煤礦水文條件更復雜，主要是由于整合前小煤礦采空區(qū)多、水文地質情況不清、水害隱患嚴重，老空積水和砂巖裂隙水時刻威脅著礦井的安全生產，這些隱蔽災害的探測刻不容緩。

2 回采工作面物探技術

2.1 槽波地震法

槽波地震法是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導波探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理方法[6]。由于煤的密度和彈性傳播速度明顯低于頂、底板，所以在煤層內激發(fā)的彈性波大部分能量不能向煤層外部傳播，總是在兩個界面(煤層的頂板和底板)之間反射、混響和疊加，從而形成一種特殊的彈性地震波[7]，如圖1所示。

圖1 槽波形成示意

透射法測量是槽波勘探最基本的測量方法，其震源與檢波器布置在不同的巷道內，在一條巷道內激發(fā)，在另一條巷道中接收通過煤層的透射槽波[8-9]。根據(jù)透射槽波的有無或強弱來判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區(qū)內煤層的連續(xù)性。

2.2 無線電波透視法

無線電波透視法簡稱為“坑透法”，是指電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性的不同，因而對電磁波能量的吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當電磁波前進方向遇到斷裂構造界面時，將在界面上產生反射和折射作用，造成能量損耗的一種電磁波透視方法[10]。井下電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其他構造時，波能量被吸收或完全被屏蔽，則接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成透視異常，據(jù)此對地質異常進行推斷和解釋[11]。

井下探測方法一般為定點法，在兩巷道間進行，發(fā)射機相對固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點位置上，接收機在相鄰巷道一定范圍內逐點沿巷道觀測場強值，又稱定點交會法。一般發(fā)射點距50m，接收點距10m，每一發(fā)射點，接收機可相應觀測11～21個點，如圖2所示。

圖2 無線電波透視法探測示意

2.3 瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法的基本原理是電磁感應定律。井下瞬變電磁法探測是在巷道內設置一個閉合線圈，在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場；斷電后，該電流產生的磁場也立即消失，磁場的變化便會激發(fā)出感應電流以維持之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質的熱損耗，磁場能量將逐漸減弱直到消耗完畢為止[12]。通過測量斷電后各個時間段的感應場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

由于井下空間所限，通常采用多匝線圈組成的小線框作為發(fā)射線框和接收線框，點距可以根據(jù)勘探任務要求變化。測量時，線框的法線方向為探測方向，可對巷道和工作面進行全方位探測(圖3)，根據(jù)電阻率分布情況推斷頂板或底板巖層的富水性[13-14]。

圖3 瞬變電磁法探測方向示意

2.4 音頻電透視法

礦井音頻電透視技術是基于地下各種巖石間的電性差異對人工電場的分布形態(tài)產生影響，利用儀器在井下觀測人工場源的分布規(guī)律來解決水文地質問題的技術方法。由于低阻體對電流的“吸收”作用，在巷道對應接收的位置將會產生電流密度降低，視電導率隨之增加的現(xiàn)象[15]。該方法以點電源全空間電場分布理論為基礎，根據(jù)探測獲得的數(shù)據(jù)，以計算出工作面內頂?shù)装逡欢ㄉ疃确秶鷥鹊囊曤妼手禐閰?shù)進行成圖、分析與解釋的一種物探方法。

井下音頻電透視使用單極(供電)偶極(接收)裝置工作，即在一側巷道按照等距布置電極(供電電極A)供電，另一個發(fā)射電極(供電電極B)布置在相對無窮遠處，在工作面另一側巷道對應于某個供電點，采用一對電極(接收電極M，N)沿巷道接收[16]。采用該裝置施工時，其連線垂直巷道走向，如圖4所示。

圖4 無線電波透視法探測方向示意

3 工程應用研究

3.1 槽波地震法

山西省晉煤集團某礦井5308大采高工作面走向長2742.5m，回采3號煤層，厚度為6.07m。工作面主要受一寬緩背斜控制，軸部距設計切眼以南1300m左右，局部煤厚變化較大。由于工作面內陷落柱的存在，對回采影響較大。根據(jù)三維地震勘探資料，該工作面內有3個陷落柱： WDX47，KDX45，KDX39。其中陷落柱KDX39位于切眼以南277m(長軸119m，短軸80m)。為進一步探明工作面內陷落柱的分布情況，以減少對生產的影響，采用槽波地震法對工作面進行了勘探。本次槽波地震勘探采用透射法，在該工作面53081巷布置29個檢波點，檢波點道間距為20m，各檢波點均為兩分量檢波器接收。53083巷布置31個炮點，炮點間距為20m。

圖5為工作面內較典型的槽波記錄道頻散曲線和單炮速度分析結果。通過對整個工作面內各典型槽波記錄頻散曲線進行綜合分析，結果表明整個工區(qū)槽波頻散特征顯著，群速度曲線相對較完整連續(xù)，槽波埃里相頻率主要集中在80Hz左右；槽波的埃里相速度約為850m/s。在對各炮點獲得的槽波數(shù)據(jù)進行頻散分析后，便可獲得選定頻率下槽波速度，再對其進行層析成像便可獲得波速CT成像結果，該結果能夠反映煤層厚度變化、斷層和陷落柱等，是透射法槽波勘探進行地質解釋的主要依據(jù)。

圖5 典型槽波記錄道頻散曲線和單炮速度分析結果

圖6為槽波速度層析成像成果，圖中深色代表高速區(qū)，淺色為低速區(qū)。根據(jù)速度分析結果綜合分析完整的煤層的波速約為850m/s，深色實線區(qū)域內為速度高于煤層速度，定義為異常區(qū)，共發(fā)現(xiàn)6處相對高速異常區(qū)。結合地質資料，推斷異常1和2為壓力增高帶或煤層夾矸；異常3為陷落柱；異常4和5為斷層；異常6為背斜破碎帶或瓦斯富集區(qū)。

該工作面區(qū)域經過多種手段進行勘探，均發(fā)現(xiàn)異常3，推斷為陷落柱，但勘探陷落柱大小差別較大，其中三維地震勘探推斷陷落柱長軸118m，短軸79.2m，無線電波透視法推斷陷落柱長軸120m，短軸80m，槽波地震法推斷陷落柱長軸84m，短軸60m，而通過實際揭露陷落柱長軸98m，短軸52m。綜上多種勘探手段可以看出，槽波地震勘探法探測陷落柱的精度最接近實際。

圖6 5308工作面槽波速度CT成像成果

3.2 無線電波透視法

晉煤集團某礦井4318工作面位于3號煤層三盤區(qū)，東高西低，走向長940m，由43181巷和43183巷圈定而成，傾斜長192m，開采3號煤層，厚度平均5.70m，含泥巖、炭質泥巖夾矸0～3層，結構簡單-較簡單，全區(qū)可采。

該煤層位于山西組下部，上距K8砂巖平均38.86m，下距K7砂巖平均8.97m。頂板主要是泥巖、砂質泥巖、次為粉砂巖，局部為中、細粒砂巖或粉砂巖，底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖。

圖7為無線電波透視法工作面場強分布圖。圖中有3段總體場強值較低：40～140m區(qū)段集中在16～40dB之間；450～550m區(qū)段在2～35dB之間；600～670m區(qū)段在20～45dB之間，表明3段煤巖層相對穿透性較差，對無線電波的吸收性較強，分別對應圖7中3處場強異常區(qū)：異常1、異常2和異常3；圖7其他區(qū)段總體場強值較高，在40～60dB之間，說明該段煤層對無線電波的吸收系數(shù)值較小，無線電波透視能力較強，為正常煤巖層無線電波場強的典型值。圖7中深色調區(qū)越深表明其場強值越低，即該段煤層無線電波穿透能力低，為潛在的構造異常區(qū)。工作面場強分布圖中各段情況反映結果與實測場強曲線結果基本一致，主要有3個探測異常區(qū)，各個異常區(qū)位置及推斷結果見表1所示。

圖7 無線電波透視法兩巷實測場強分布

異常異常特征說明1北翼專用回風巷向切眼50～150m左右范圍，推測為斷層和陷落柱構造影響2北翼專用回風巷向切眼450～550m左右范圍，推測為斷層和陷落柱構造影響3北翼專用回風巷向切眼600～670m左右范圍，推測為陷落柱或構造破碎帶

3.3 瞬變電磁法

晉煤集團某礦井XV3307工作面走向長度800m，回采15號煤，煤厚平均2.27m，上距9號煤層29m左右，距3號煤層94m左右，下距K1砂巖4m左右。工作面頂板為K2石灰?guī)r，時有炭質泥巖或泥巖偽頂，底板為泥巖、鋁土泥巖，有時為炭質泥巖或粉、細粒砂巖。為查明工作面上方采空區(qū)積水和含水層富水情況，采用瞬變電磁法對其進行探測。在工作面每條巷道布置7條測線(順層0°、頂板15°、頂板30°、頂板45°、頂板60°、頂板75°和頂板90°)，每條測線長800m，探測方向如圖8所示。

圖9為XV3307工作面順層成果疊加。根據(jù)圖9探測成果，結合XV3307工作面掘進過程中實際揭露的地質情況及現(xiàn)場具體施工環(huán)境，綜合分析如下：XV3307工作面順層大致分為4個低阻異常區(qū)，從左往右依次稱為低阻異常1、低阻異常2、低阻異常3、低阻異常4，且異常區(qū)域范圍依次增大。在距切眼180～230m范圍內XV3210巷頂板有不同程度的淋水，推測距切眼180～250m內富水性較大。XV3213巷內低阻異常2和低阻異常3范圍內金屬物較多，分析低阻異常2及低阻異常3為地電干擾引起，可靠性較低。低阻異常4中距切眼720～730m處有淋水現(xiàn)象，分析認為650～750m處富水性較大。綜合各方向探測結果，認為距切眼方向180～250m，650～750m范圍內頂板富水性較強，結合地質資料及現(xiàn)場施工環(huán)境分析，推測其為上層采空區(qū)積水或裂隙水。

圖8 XV3307工作面瞬變電磁法探測角度示意

圖9 XV3307工作面順層成果

3.4 音頻電透視法

山西臨汾某整合礦3號煤層位于山西組中下部，地層傾角一般小于15°，煤層厚度0.85～1.50m，平均厚度1.10m，結構簡單，不含夾矸，頂板以泥巖、細粒砂巖為主，底板泥巖、粉砂巖為主，賦煤區(qū)內全區(qū)可采，屬穩(wěn)定煤層。在2，3號煤層開采過程中，已發(fā)現(xiàn)4條斷層；在3號煤的開采中，已發(fā)現(xiàn)5個陷落柱，短軸長度8～27m，長軸長度17～50.4m。13120回采工作面位于3號煤層，回風巷長230m，運輸巷長230m，工作面開口處寬度為130m，切眼長120m，13120工作面周長為710m。為了充分了解和掌握13120回采工作面內部及頂?shù)装鍏^(qū)域的富水區(qū)分布情況，采用音頻電透視法對13120工作面進行了探測。

本次探測是在一條巷道內某點發(fā)射，在另一條巷道對應點一定范圍內接收，測網密度供電點極距50m、接收點極距10m。在每個發(fā)射點對應的另一巷道扇形對稱區(qū)間進行觀測，確保測區(qū)內各單元有3次以上發(fā)射-接收射線覆蓋，然后交換供電與接收的巷道，如圖10(a)所示。

圖10 13120工作面測點布置圖與探測成果

圖10(b)為13120工作面內部區(qū)域音頻電透視法探測成果圖，反映了整個13120工作面區(qū)域內部、頂?shù)装蹇臻g電阻率融合到同一個層位的平面分布特征，間接反映出整個工作面空間融合到同一層位的巖層含水情況。因井下巷道中金屬支架和軌道的影響，電阻率值將形成一定的擾動，但這種擾動影響在大部分測段具有統(tǒng)一性，可作為系統(tǒng)偏差來考慮，不影響通過電阻率值的相對變化的大小進行地層富水性解釋。根據(jù)探測結果，結合礦井地質資料進行綜合分析，推斷結果見表2。

表2 13120工作面內部區(qū)域音頻電透視法探測異常分布情況

4 結 論

通過在晉城礦區(qū)應用槽波地震法、無線電波透視法、瞬變電磁法、音頻電透視法等工作面區(qū)域隱蔽災害探測手段，實現(xiàn)了晉煤集團采煤工作面回采前的集團規(guī)模化物探全覆蓋工作，取得了較可靠的探測結果，并獲取了大量的生產研究經驗， 得出如下結論：

(1)槽波地震法、無線電波透視法均可探測工作面內部斷層、陷落柱和厚度變化帶等隱蔽地質體。槽波地震法作為一種新技術，一般用炸藥做震源，激發(fā)能量強，探測深度可達煤厚300倍，可實現(xiàn)盤區(qū)以及超寬工作面探測。其在探測瓦斯富集區(qū)、應力集中區(qū)和陷落柱精度等方面彌補了常規(guī)物探手段的不足；無線電波透視法對斷層等構造反映靈敏，可以探測中小斷距斷層，實現(xiàn)精確定位，是目前最成熟的工作面構造探測技術。

(2)瞬變電磁法、音頻電透視法可探測工作面區(qū)域富水情況。瞬變電磁法探測范圍廣，不僅能探測煤層內部富水情況，還能探測煤層頂板、底板一定范圍的富水情況，實現(xiàn)無盲區(qū)富水情況探測；音頻電透視法可探測煤層內部富水情況，也可用于探測復雜采動的復采工作面探測，對空巷、房柱式采空區(qū)探測效果極佳。

(3)針對采煤工作面地質采礦條件，合理選用槽波地震法、無線電波透視法、瞬變電磁法、音頻電透視法中一種或幾種方法，可實現(xiàn)工作面隱蔽構造的精細探測，為工作面安全回采提供保障。

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[責任編輯：施紅霞]

Complex Geophysical Prospecting of Hide Disaster of Mining Working Face in Mine

MU Yi1，2，3，XU Hui1，2，3，DOU Wen-wu3，F(xiàn)AN Lin-lin3，LI Zi-yu3，LI Jiang-hua1，2，3，JIAO Yang3

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China； 3.Geophysical Prospecting Branch Company，Shanxi Jin Coal Corporation Technique Research Institute Co.，Ltd.，Jincheng 048006，China)

Hide disasters of mining working face of Jin coal mine district were detected by channel wave seismic method，radio wave penetration method，transient electromagnetic method，audio-frequency electrical penetration，and safety mining could be ensured by some ahead control measures.The results of exploration showed that some hide geological body like fault in working face，collapse column and coal seam thickness variation zone could be detected by all channel wave seismic method and radio wave penetration method，panel and extra width working face exploration could be realized by channel wave seismic method，and methane concentration area and stress concentration area could be detected also，it is sensitive for collapse column and exploration precision high.Radio wave penetration method is sensitive for some structures like fault，some small and middle separation fault could be detected precision；water rich situation of working face could be detected by transient electromagnetic method and audio-frequency electrical penetration，transient electromagnetic method could explored all 360° region，audio-frequency electrical penetration not only detected water rich situation，but also explored complex working face with complex mining，it had an excellent effects for abandon roadway and goaf of room and pillar.To the geological situation of coal mining working face，exquisite exploration could be realized by one or some detective method，and provide safeguard for working face safety mining.

hide disaster；complex geophysical prospecting；channel wave seismic method；radio wave penetration method；transient electromagnetic method；audio-frequency electrical penetration

2016-06-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.007

國家自然科學基金(51404139)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金資助項目(2014QN013)；煤炭科學技術研究院基礎研究基金項目(2014JC07)

牟 義(1983-)，男，山東日照人，碩士，助理研究員，從事地球物理方法技術研究與應用工作。

牟 義，徐 慧，竇文武，等.礦井回采工作面隱蔽災害綜合物探技術研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：22-27.

TD166

A

1006-6225(2016)06-0022-06