色連二礦2-2首采面開采地質(zhì)條件綜合探查應(yīng)用

李曉斌，李建寧，何宏康，徐守明，馮建龍

(1.淮礦西部煤礦投資管理有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

色連二礦2-2首采面開采地質(zhì)條件綜合探查應(yīng)用

李曉斌1，李建寧2，何宏康1，徐守明1，馮建龍1

(1.淮礦西部煤礦投資管理有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

新開拓區(qū)首采工作面開采地質(zhì)條件的掌握是礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，需要做好采前的探查工作;施工中利用三維并行電法對(duì)122(中)05工作面進(jìn)行頂板巖層含水條件探查，利用無線電波透視技術(shù)對(duì)工作面內(nèi)煤層賦存條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定相應(yīng)的異常區(qū)域;頂板巖層鉆孔探放水及實(shí)際回采的結(jié)果驗(yàn)證表明，三維并行電法與無線電波透視技術(shù)在煤礦頂板探水及面內(nèi)異常體探查中能夠發(fā)揮良好的作用。

工作面內(nèi)異常; 頂板巖層賦水; 三維并行電法; 無線電波坑透; 綜合探查

1 引言

煤礦首采工作面的安全開采地質(zhì)條件至關(guān)重要，因此需要進(jìn)行綜合探查與分析?；吹V西部公司色連二礦2煤層首采工作面地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層開采直接充水含水類型為2-2中煤層頂、底板砂巖水及斷層水，上部侏羅系中統(tǒng)、白堊系及第四系含水層為間接充水含水層。受原始沉積環(huán)境及后期構(gòu)造控制，含水層富水性在空間分布具有非均勻性特點(diǎn)，井下大量放水試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層開采頂板巖層在局部地段富水性較好，以靜儲(chǔ)量為主，疏放時(shí)涌水量隨時(shí)間具有顯著的衰減性。富水區(qū)域主要集中在陸相河道中粗砂巖及斷層-裂隙區(qū)域，工作面煤層頂板細(xì)砂巖、粉砂巖地層發(fā)育，為泥質(zhì)膠結(jié)。根據(jù)其均一性差，井下出水危害性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要在工作面回采之前對(duì)頂板巖層賦水區(qū)域進(jìn)行探查，同時(shí)兼顧煤層面內(nèi)的斷層構(gòu)造、煤層變薄區(qū)等異常特征，為首采面的安全高效開采提供技術(shù)支撐。

目前，在煤層頂板巖層賦水性探查中，主要采用井下電法和瞬變電磁法，利用井下工作面雙巷條件，布設(shè)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行頂板巖層的電磁式探水，其中井下電法在施工中存在電極布設(shè)困難，瞬變電磁容易受到金屬干擾等問題。工作面內(nèi)地質(zhì)異常體的探測(cè)方法較多，其中電磁波透視成像技術(shù)是一種主要的方法，但也存在透視距離和分辨能力問題。鑒于色連二礦2-2中煤層的開采狀況，首采工作面需要積累相應(yīng)的探查經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)選取井下電法和無線電波坑透技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行首采面開采地質(zhì)條件探查實(shí)踐，進(jìn)一步查明影響安全高效開采的地質(zhì)因素。其中利用三維并行電法對(duì)煤層開采頂板巖層含水區(qū)進(jìn)行探查，確立異常位置，為鉆探施工提供靶區(qū)；利用無線電波透視方法，對(duì)工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探查與分辨，確立構(gòu)造及煤層厚度異常區(qū)域，為綜合機(jī)械化采煤安全技術(shù)措施制定提供依據(jù)，也為同類地質(zhì)條件開采探查提供參考。

2 綜合探查技術(shù)原理

2.1頂板巖層三維并行電法

頂板巖層賦水性探查采用并行電法技術(shù)，探測(cè)使用的儀器為并行電法儀，該儀器的最大優(yōu)勢(shì)在于任一電極供電，可在其余所有電極同時(shí)進(jìn)行電位測(cè)量，可清楚地反映探測(cè)區(qū)域的自然電位、一次供電場電位的變化情況，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀有很大提高，是電法勘探技術(shù)的又一次飛躍。該儀器在測(cè)線上布置64個(gè)電極，對(duì)于AM法采集時(shí)，任一電極供電時(shí)，其余63個(gè)電極同時(shí)采集電位，這樣其數(shù)據(jù)采集效率與串聯(lián)采集相比，采集效率至少提高了63倍。不僅如此，通過AM法和ABM法裝置自動(dòng)順次切換電極，取得大量的電法數(shù)據(jù)，既可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行高密度電法探測(cè)(如溫納二極、三極、四極等)數(shù)據(jù)采集，還可以獲得高分辨地電阻率法數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)頂板巖層賦水性精細(xì)探查提供基礎(chǔ)。圖1為頂板電法探查布置示意圖，現(xiàn)場測(cè)試時(shí)可將電極布置在頂板巖層中，便于加載電場的頂板傳播。

圖1 三維并行電法觀測(cè)系統(tǒng)布置示意圖

2.2面內(nèi)無線電波透視方法

電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種介質(zhì)的電性存在差異，電阻率低的巖礦石對(duì)電磁波吸收效果較大，而電阻率高的巖礦石對(duì)電磁波吸收較弱。同時(shí)，由于地下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)電磁波產(chǎn)生反射、折射等作用，也會(huì)造成電磁波的不同程度的損耗。因此利用這種特性，通過發(fā)射機(jī)與接收機(jī)來傳播接收穿過探測(cè)區(qū)域的電磁波，并研究分析不同點(diǎn)對(duì)于電磁波的影響，從而進(jìn)行地質(zhì)解釋。

假設(shè)點(diǎn)A在輻射源中點(diǎn)，處在無限均勻各向同性介質(zhì)中，觀測(cè)點(diǎn)P到A的距離為r，可得P點(diǎn)的電磁場強(qiáng)度為：

其中Ho為決定于發(fā)射功率和天線周圍介質(zhì)的初始強(qiáng)度，β為介質(zhì)的吸收系數(shù)，f(φ)為方向因子。

無線電波透視的資料解釋采用場強(qiáng)對(duì)比法，就是將各點(diǎn)的實(shí)測(cè)場強(qiáng)值與各點(diǎn)按公式計(jì)算出來的理論場強(qiáng)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合地質(zhì)條件，來分析異常區(qū)域的性質(zhì)，并作出相應(yīng)的推斷解釋。圖2為面內(nèi)無線電波透視方法現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意圖，提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集密度，降低現(xiàn)場金屬物件的干擾，是提升電磁波透視成像分辨率的重要部分。

圖2 無線電波坑道透視定點(diǎn)法發(fā)射與接收范圍示意圖

3 首采區(qū)探查實(shí)踐分析

3.1探查區(qū)地質(zhì)條件分析

探查區(qū)色連二礦122(中)05面為一水平二采區(qū)2-2中煤層首采工作面，其東起工作面主回聯(lián)巷，西至礦井邊界煤柱線，南起天然氣廠保護(hù)煤柱線，北側(cè)緊靠尚未回采的12206工作面。該面煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，局部含1層泥巖夾矸，煤層厚度變化較大，在切眼附近傾斜長約660 m范圍，由于2-2上與2-2中煤層合并，形成一個(gè)厚煤區(qū)，煤厚4.1～4.8 m。2-2中煤層與上部2-2上煤層層間距為0.80～13.25 m，與下部3-1煤層層間距為14.79～25.0 m。煤層產(chǎn)狀為192°～284°∠0°～3°，依上下順槽及切眼掘進(jìn)時(shí)調(diào)查資料，共揭露1條正斷層Fsc-10，落差為1.0 m；巷道中部揭露一個(gè)變薄帶，影響回采長度90 m左右；另外在東部主回聯(lián)巷附近，由于受到河流沖刷影響，發(fā)育一不可采區(qū)，煤厚為0.55-0.80 m。

該工作面回采時(shí)直接充水含水層為2-2中煤層頂、底板砂巖水及斷層水。工作面煤層頂板細(xì)砂巖、粉砂巖地層發(fā)育，為泥質(zhì)膠結(jié)。其電磁探測(cè)條件良好，具備頂板巖層探水及面內(nèi)異常探查地質(zhì)地球物理基礎(chǔ)。

3.2電法數(shù)據(jù)采集與解釋

三維并行電法觀測(cè)時(shí)，電極分別布置在膠帶機(jī)順槽和回風(fēng)順槽，共布置14站，每站布置64個(gè)電極，電極間距5 m，完成3600 m測(cè)線長電法數(shù)據(jù)采集任務(wù)，控制工作面走向長范圍1800 m。對(duì)多個(gè)分站采集的電法數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行解編、拼接，進(jìn)行三維電阻率反演。平面坐標(biāo)選取時(shí)以切眼與回風(fēng)順槽交點(diǎn)為原點(diǎn)，沿工作面退遲方向?yàn)樗秸S方向，向膠帶機(jī)順槽一側(cè)為縱軸正方向(Y軸)。垂直方向上以煤層頂板為0點(diǎn)，向上為正軸方向(H軸或Z軸)。通過對(duì)工作面2-2中煤頂板的巖性分析，該工作面細(xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖地層普遍發(fā)育，膠結(jié)一般，且砂質(zhì)泥巖中裂隙較為發(fā)育。圖3為工作面兩巷頂板60m處水平切面電阻率分布圖，該層位為細(xì)砂巖層段，其局部低電阻率特征明顯。

圖3 122(中)05工作面兩巷頂板水平切面解釋圖

綜合三維電法探測(cè)資料和地質(zhì)資料分析，將本工作面頂板范圍共劃分7個(gè)相對(duì)低阻區(qū)，解釋為相對(duì)富水區(qū)，從切眼到聯(lián)巷低阻區(qū)編號(hào)依次為1～7#區(qū)，具體解釋見表1。

表1 相對(duì)低阻區(qū)解釋

3.3無線電波透視數(shù)據(jù)采集與解釋

工作面無線電波透視采用YDT88型坑透儀，工作頻率為0.158 MHz。兩巷各布置坑透發(fā)射點(diǎn)25個(gè)，發(fā)射點(diǎn)據(jù)70 m。本次完成了工作面1820 m走向長的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。該煤層實(shí)測(cè)場強(qiáng)值變化范圍較大，最高場強(qiáng)值為40～50 db，最小場強(qiáng)值為20 db左右，接收點(diǎn)背景值為20 db以下。說明采集的無線電波透視信號(hào)有效，且數(shù)據(jù)信噪比較高，質(zhì)量可靠。

透視所采集數(shù)據(jù)包括各接收點(diǎn)實(shí)測(cè)場強(qiáng)值及背景場強(qiáng)值，采用透視CT軟件對(duì)實(shí)測(cè)場強(qiáng)反演和SIRT吸收系數(shù)反演，圖4和圖5分別為實(shí)測(cè)場強(qiáng)分布及吸收系數(shù)分布結(jié)果，成圖以聯(lián)絡(luò)巷為水平坐標(biāo)原點(diǎn)，回采退尺方向?yàn)檎S；以膠帶機(jī)巷為縱向坐標(biāo)原點(diǎn)，向輔助運(yùn)輸順槽方向?yàn)檎S。結(jié)合揭露的地質(zhì)資料分析，可獲得探測(cè)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)解釋，判斷存在4個(gè)透視異常區(qū)。靠近開切眼附近煤層合并，厚度較大；靠近工作面收作線一側(cè)，煤層分為2層，本工作面所采2-2中煤層厚度約2.0 m。

圖4 工作面無線電波透視實(shí)測(cè)場強(qiáng)平面解釋圖

圖5 工作面無線電波透視電磁波吸收系數(shù)成像解釋圖

其中1區(qū)位于240-340 m范圍內(nèi)，為斷層影響區(qū)，巷道揭露Fsc-10(H=1.0 m)，該異常區(qū)異常程度H<1/3煤厚，對(duì)回采影響小；2區(qū)位于800-1050 m范圍內(nèi)，為煤層變薄區(qū)，巷道揭露煤層變薄為0.8～2.0 m，該異常區(qū)異常程度H<1煤厚，對(duì)回采影響較大；3區(qū)位于1330-1450 m范圍內(nèi)，為煤層變薄區(qū)，巷道揭露煤層變薄為1.6～2.0 m，該異常區(qū)異常程度H<1/3煤厚；4區(qū)位于1600-1800 m范圍內(nèi)，為煤層變薄區(qū)，巷道揭露煤層變薄為0.55～1.9 m，該異常區(qū)異常程度H<1煤厚，對(duì)回采影響大。

3.4探查效果驗(yàn)證分析

在前期探放水基礎(chǔ)上，對(duì)物探異常區(qū)施工驗(yàn)證孔10個(gè)(膠帶順槽和回風(fēng)順槽各5個(gè))，鉆孔工程量1200.7 m，取得了較好的放水效果。至開始回采前，工作面鉆孔出水量約11.69 m3/h。工作面回采過程中，未見明顯的涌水現(xiàn)象，主要出水形式表現(xiàn)為工作面局部煤壁、支架等部位有滴水、淋水情況，且出水量較小。將此次三維電法成果與后期回采結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)除1#回采至該異常區(qū)范圍時(shí)未見明顯的涌水現(xiàn)象，且在工作面局部有滴淋水，對(duì)回采影響不大，與勘探成果略有出入。其余六處異常區(qū)均與電法勘探成果相符，其中2#異常區(qū)主要反應(yīng)為煤層分叉，夾矸變厚，從無夾矸到夾矸厚0.4 m，出水不明顯，局部有滴淋水現(xiàn)象；3#、5#以及6#異常區(qū)出水不明顯，局部有滴淋水現(xiàn)象；4#、7#異常區(qū)該異常區(qū)主要反應(yīng)為處于煤層沖刷變薄帶，局部有少量滴淋水現(xiàn)象。

無線電波透視結(jié)果與后期回采揭露，1#異常區(qū)Fsc-10正斷層落差0-1 m，在面內(nèi)延展長度44 m，對(duì)回采影響較?。?#異常區(qū)內(nèi)發(fā)育沖刷變薄帶，變薄帶內(nèi)最小煤厚0.6 m，對(duì)工作面頂板管理及煤質(zhì)管理影響較大；3#異常區(qū)內(nèi)煤厚基本正常，對(duì)回采基本無影響；4#異常區(qū)為沖刷變薄帶，煤厚0.8-2.0 m，對(duì)工作面回采有影響。

針對(duì)色連二礦2-2中煤層開采條件，掌握工作面內(nèi)開采地質(zhì)條件以及頂板砂巖賦水性條件至關(guān)重要，利用井下電法和坑透法相結(jié)合，可以獲得較為綜合的探查效果，為生產(chǎn)安全提供可靠的技術(shù)參考。

4 結(jié)論

井下三維并行電法克服了傳統(tǒng)二維電法勘探的不足，可以獲得頂板巖層的水平切片以及垂直剖面圖，直觀地表達(dá)工作面頂板含水狀況，在實(shí)際應(yīng)用中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。色連二礦工作面巷道相對(duì)高，電極布設(shè)時(shí)多可施工在頂板巖層中，提高人工電場加載的有效性。綜合電法成果與后期回采結(jié)果對(duì)比可知，三維電法勘探在巷道頂板水探測(cè)中的效果較好，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中是實(shí)際可靠的。

無線電波透視技術(shù)具有儀器輕便，操作簡單，數(shù)據(jù)采集迅速以及透視距離較大等優(yōu)點(diǎn)，且現(xiàn)場探測(cè)效果良好，已逐漸成為工作面地質(zhì)探測(cè)重要手段。色連二礦應(yīng)用中需要進(jìn)一步積累2-2中煤層電磁波透視的吸收特征，選擇合適的非煤異常判斷閥值，提高對(duì)透視陰影區(qū)的劃分精度。

井下工作面探測(cè)受地質(zhì)與環(huán)境影響，易出現(xiàn)干擾，對(duì)物探技術(shù)探查的準(zhǔn)確度帶來影響，數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)盡量詳細(xì)記錄探測(cè)過程中出現(xiàn)的影響因素，并在后期處理與解釋中結(jié)合實(shí)際情況作出綜合判斷，同時(shí)結(jié)合鉆探及后期回采資料驗(yàn)證分析，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，在后續(xù)井下物探應(yīng)用中提高判斷準(zhǔn)確度。

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2017-03-15

李曉斌(1972-)，男，江西吉水人，高級(jí)工程師，從事礦井生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。

TD160;TD82

B

1671-4733(2017)05-0004-03