礦井坑透技術(shù)及音頻電透技術(shù)綜合探測復采區(qū)域技術(shù)研究

邢 楷,劉江敏,郝宇軍,王克南,馬志超

(1.晉煤集團技術(shù)研究院 物探工程分公司,山西 晉城 048000;2.煤炭科學技術(shù)研究院有限責任公司,北京 010000)

工程物探方法能夠快速和大面積普查,已成為探明地下采空區(qū)的一項有力的勘探手段,各種物探方法都有自己的優(yōu)缺點和適用條件,并且常常具有多解性[1]。煤礦復采區(qū)域的未知采空區(qū)的狀態(tài)和性質(zhì)極其復雜[2],常規(guī)的物探手段會受到密集棚支護的強烈干擾[3]。單一的物探手段在復雜地形地質(zhì)和開采條件下很難確定采空區(qū)的分布及其特點,所以綜合物探技術(shù)是采空區(qū)調(diào)查和采空區(qū)積水治理的有效手段[4]。

1 探測區(qū)域概況

某整合礦井1301復采工作面位于山西組3#煤,由1201進風巷和1202回風巷形成,進風巷探測長度約410 m,回風巷探測長度約400 m,切眼長度為80 m。巷道為密集棚支護,層頂板為粉砂巖,底板為泥巖。工作面內(nèi)煤層受原老窯破壞較為嚴重。

2 探測原理

2.1 礦井坑透法

無線電波透視法利用電磁波在各種巖層和煤層的電性(電阻率ρ和介電常數(shù)ε)的不同,來探測待采工作面內(nèi)的地質(zhì)異常體[5]。當在工作面的一側(cè)向另一側(cè)發(fā)射電磁波,若其間存在著低于煤層電阻率的地質(zhì)構(gòu)造時,電磁波能量就會被吸收或完全屏敝,使信號顯著減弱或收不到信號,從而形成一個“陰影區(qū)”,交換發(fā)射機與接收機的位置,測得同一個異常體的“陰影區(qū)”,即為所要探測的異常體的位置和范圍。圖1為無線電波坑道透視定點發(fā)射與接收范圍示意圖。

圖1 無線電波坑道透視定點法發(fā)射與接收范圍示意圖Fig.1 Transmitting and receiving range with radio wave tunnel perspective pointing technique

2.2 礦井音頻電透法

音頻電透法通過一對接地電極把電流供入大地中,而通過另一對接地電極觀測用于計算巖石電阻

率所必須的電位或電位差信息。從電性特征上來分析不同巖性的地層,其一般規(guī)律為:煤層電阻率相對較高、砂巖次之、泥巖及頁巖類最低[6](見表1)。即泥巖、頁巖、粉砂巖等與煤層導電性差異明顯。由于煤系地層的沉積序列比較清晰,在原生地層狀態(tài)下,導電性特征在縱向有其固定的變化規(guī)律,而在橫向上相對比較均一。當存在陷落柱、斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造,無論其含水與否,都將打破地層電性在橫向及縱向上的分布規(guī)律[7]。

表1 一般煤系地層常見巖石電阻率值Table 1 Resistivity value of common rocks in general coal strata

3 施工布置

3.1 礦井坑透法

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集在回風巷布置發(fā)射點,對應每個發(fā)射點在進風巷接收11個實測場強值;根據(jù)巷道長度確定發(fā)射點數(shù)量,50 m布置1個發(fā)射點,共計10個發(fā)射點;10 m布置一個接收點,共計43個接收點;回風巷發(fā)射完后,調(diào)換發(fā)射接收巷道。現(xiàn)場布置圖如圖2所示。

3.2 礦井音頻電透法

音頻電透法是在一條巷道內(nèi)某點發(fā)射,在另一條巷道對應點一定范圍內(nèi)接收。測點布置與坑透一致。測網(wǎng)密度要求供電點極距50 m、接收點極距10 m。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(nèi)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。

4 探測成果分析

4.1 礦井坑透法探測成果分析

圖3為無線電波透視儀實測場強分布圖,其中藍色調(diào)區(qū)顏色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(gòu)造異常區(qū)。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of testing points

圖3 礦用無線電波透視儀實測場強分布圖Fig.3 Distribution diagram of the measured field strength with radio wave perspective instrument in mines

經(jīng)過后期1年多的時間里對切眼空巷情況跟蹤回訪,將切眼推進過程中揭露的空巷空區(qū)等情況做記錄,結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料,繪制出工作面切眼以里300 m范圍內(nèi)空區(qū)空巷的范圍示意圖,如圖4所示。圖中顯示揭露10條空巷及6個采空區(qū)。分別命名為空巷1—空巷10,空區(qū)1—空區(qū)6。

圖4 工作面內(nèi)空區(qū)空巷范圍示意圖Fig.4 Range of empty areas and empty roadways in the working face

結(jié)合坑透結(jié)果中0 m～300 m范圍內(nèi)圈定的8處異常區(qū)域,在空區(qū)空巷范圍示意圖中均能找到相應的位置:1)異常1對應區(qū)域為空區(qū)空巷圖中的空巷1,因此推斷異常1為空巷1影響所致;2)異常2對應區(qū)域為空巷2、空巷3以及空區(qū)1,因此推斷為這3處空區(qū)空巷共同影響所致;3)異常3對應區(qū)域為空巷4、空巷5以及空區(qū)2,因此推斷為這3處空區(qū)空巷共同影響所致;4)同樣推理,異常4為空巷6與空巷7共同影響的結(jié)果;5)異常5為空巷6、空巷7與空區(qū)3共同影響的結(jié)果;6)異常6為空巷8和空區(qū)4共同影響所致; 7)異常7為空巷8、空巷9和空區(qū)共同影響所致;8)異常8為空區(qū)6影響所致。

4.2 音頻電透法探測成果分析

圖5為音頻電透視法探測平面圖,不同顏色色標表示電阻率的大小,其中藍色表示高電導率值,反映了整個1301工作面區(qū)域內(nèi)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。

圖5 音頻電透探測成果圖Fig.5 Results of audio-frequency perspective electric exploration

探測結(jié)果中從切眼400 m處至150 m之間共有4處高導異常。其中異常4、異常3和異常1與巷道掘進過程中實際出水情況吻合較好,1201巷道在170m處時打鉆鉆孔有出水,出水量約3 m3～5 m3;201 m～220 m之間鉆孔有出水,出水量約3 m3;切眼87 m處巷道出水較大,出水量約40 m3～50 m3;異常2處雖然工作面內(nèi)部沒有出水,但是該區(qū)域內(nèi)巷道外側(cè)為岳南煤礦采空區(qū),采空區(qū)內(nèi)有大面積的積水,積水量約為200 m3。

5 結(jié)論

礦井坑透法對采空區(qū)的反應較為明顯,在探測復采區(qū)域采空區(qū)上相對其他物探方法具有較為明顯的優(yōu)勢,尤其對大面積的采空區(qū)域反應更加明顯,在探測深度上存在精度偏低等的缺陷。礦井音頻電透法能有效識別探測區(qū)域內(nèi)地質(zhì)信息,對低阻體反應靈敏且抗干擾能力強,在探測復采區(qū)域頂?shù)装寮皟?nèi)部富水情況時比其他物探手段更為可靠。復采區(qū)域內(nèi)采空區(qū)與礦井水害之間沒有必然的聯(lián)系,很難通過單一的手段去同時解決這兩個問題,因此通過兩種或兩種以上綜合物探手段對復采區(qū)域進行探測,能夠在很大程度上對采空區(qū)、礦井水害等地質(zhì)災害同時進行預報,排除生產(chǎn)過程中的隱患,為礦井安全生產(chǎn)提供科學有效的依據(jù)。

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