興文縣大旗煤礦11031 采煤工作面“物探驗(yàn)證”工作實(shí)踐

李仲平

（興文縣應(yīng)急管理局，四川 興文 6444400）

為貫徹落實(shí)《煤礦防治水細(xì)則》（煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14 號(hào)）第36 條（二）款“可以采用直流電阻率電測(cè)深、瞬變電磁、音頻電穿透、探地雷達(dá)、瑞利波及槽波、無(wú)線電坑透”等方法探測(cè)，采煤工作面應(yīng)當(dāng)選擇兩種以上方法，相互驗(yàn)證”的要求，興文大旗煤礦在其首采工作面，利用“無(wú)線電波透視儀”和“瞬變電磁儀”對(duì)其開(kāi)展了物探及相互驗(yàn)證工作，為其安全、穩(wěn)定、持續(xù)地開(kāi)展采煤工作提供了地測(cè)保障。

1 礦井及11031 采煤工作面基本情況[1-2]

興文縣大旗煤礦位于興文縣城200°方向，直線距離約16 km 處，行政區(qū)劃屬四川省興文縣石海鎮(zhèn)大旗村；系四川獨(dú)立升能改造礦井。礦區(qū)附近地勢(shì)北高南低，海拔標(biāo)高+1 436.5 m～+650 m，相對(duì)高差786.5 m；屬亞熱帶溫暖季風(fēng)氣候，夏季多暴雨，冬季多綿雨，年降雨量為1 597.9 mm～902.2 mm，平均降雨量為1 143.6 mm，區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育，僅在礦區(qū)南側(cè)外圍發(fā)育木浪溝小溪，大氣降水多沿斜坡經(jīng)沖溝匯入溝谷后徑流排泄，在礦區(qū)北側(cè)匯入巖溶區(qū)轉(zhuǎn)入地下而補(bǔ)給巖溶地下水，以暗河形式排出區(qū)外；在礦區(qū)南側(cè)經(jīng)斜坡匯入木浪溝向東徑流排泄，部分地表水則沿巖石節(jié)理、裂隙滲入地下，補(bǔ)給區(qū)內(nèi)地下水。目前礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水依靠主井口附近的泉水基本可就地解決，氣溫為38℃～-2.5℃，平均氣溫為18℃，無(wú)災(zāi)害性天氣。

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45 萬(wàn)t/a，服務(wù)年限32.5 a；礦井采用平硐開(kāi)拓方式，設(shè)有+693 m 主平硐、+1008 m 副平硐、+10220 m 回風(fēng)平硐；礦井劃分為+700 m 水平和+550 m 水平兩個(gè)水平，5個(gè)采區(qū)；其中，+700 m 水平劃分一、二兩個(gè)采區(qū)，+550 m 水平劃分為三、四、五3個(gè)采區(qū)。其首采區(qū)為+700 m 水平一采區(qū)、首采工作面為11031 采煤工作面；11031 采煤工作面北部為已關(guān)閉煤礦（銀方煤礦）采空區(qū)，南部為相鄰的11032 采煤工作面（準(zhǔn)備接替面），東部為一采區(qū)上山保護(hù)煤柱，西部為一采區(qū)與二采區(qū)之間的隔離煤柱。

11031 采煤工作面開(kāi)采單一煤層，即B3煤層，最大厚度2.76 m，最小厚度1.0 m，平均1.92 m。B3煤層基本頂為砂質(zhì)泥巖，直接頂為灰色、深灰色粘土巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及薄層炭質(zhì)泥巖，底板為灰色、淺灰色粘土巖。根據(jù)11031 工作面運(yùn)輸巷與11031 回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露的煤巖層情況：“該采煤工作面開(kāi)采區(qū)域內(nèi)無(wú)斷層、褶曲等構(gòu)造”。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料顯示：區(qū)內(nèi)對(duì)礦坑充水具有常年穩(wěn)定補(bǔ)給來(lái)源的主要是B3煤層頂部含水巖組（P2c+T1f1-3）的裂隙、溶隙水，充水方式以裂隙滲入為主；底部茅口組灰?guī)r巖溶強(qiáng)含水層上距B3煤層約100 m，之間巖性為泥質(zhì)巖及砂質(zhì)巖等，具有一定的隔水能力，在無(wú)較大斷層等導(dǎo)通茅口組含水層的情況下，對(duì)開(kāi)采B3煤層一般無(wú)充水影響。11031 采煤工作面開(kāi)采期間，充水補(bǔ)給來(lái)源為其頂部含水巖組（P2c+T1f1-3）的裂隙水，充水方式以裂隙滲入為主。

礦井針對(duì)11031 采煤工作面北部銀方煤礦老空水，于2020年11月28日-2021年1月采取了探水鉆孔放水措施，采空區(qū)積水已基本疏干。目前探水鉆孔出水為11031 采煤工作面開(kāi)采期間的日常涌水。

2 物探方法及儀器[3]

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》（煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號(hào)）第36 條要求，礦井11031 采煤工作面物探數(shù)據(jù)采集主要采用“無(wú)線電波透視法”和“瞬變電磁法”進(jìn)行[3]，相應(yīng)的物探設(shè)備為YDT175 礦用無(wú)線電波透視儀和YCS2000A 礦用瞬變電磁儀。

2.1 物探方法

2.1.1 無(wú)線電波透視法

又稱“坑透法”，是利用無(wú)線電波在鉆孔和巷道中的發(fā)射和接收來(lái)確定井下介質(zhì)特性和地質(zhì)構(gòu)造的一種物探方法。當(dāng)電磁波在井下有耗介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到巖性不同的分界面就會(huì)產(chǎn)生不同的電磁波反射、折射、透射和吸收等，通過(guò)研究分析接收到的電磁波的性質(zhì)達(dá)到探測(cè)井下目標(biāo)物的目的。無(wú)線電波透視技術(shù)是基于巖石介電常數(shù)的差異為基礎(chǔ)，電磁波在含煤地層中傳播時(shí)可分解為垂直層理和平行層理兩個(gè)方向，在垂直層理方向是非均勻介質(zhì)，在同一煤層一定范圍內(nèi)平行層理方向上可近似認(rèn)為是均勻的。煤層中斷裂構(gòu)造的界面、煤層破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水的低電阻率帶等都能對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿越煤層途徑中，存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區(qū)、沖刷、煤層產(chǎn)狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質(zhì)異常體時(shí)，接收到的電磁波能量就會(huì)明顯減弱，這就會(huì)形成透視陰影，即電阻異常區(qū)。礦井電磁波透視技術(shù)，就是根據(jù)電磁波在煤層中的傳播特性而研制的一種收、發(fā)電磁波的儀器和資料處理系統(tǒng)。

2.1.2 瞬變電磁法

又稱“時(shí)間域電磁法”，是利用不接地回線或接地線源向井下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)井下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法。

瞬變電磁法測(cè)量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過(guò)程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三階段。在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ 的均勻各向同性大地表面，敷設(shè)面積為S 的矩形發(fā)射回線，在發(fā)射回線中通階躍電流，電流斷開(kāi)之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，如圖1 所示。當(dāng)發(fā)射電流突然下降到零，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次磁場(chǎng)。一次磁場(chǎng)在周圍傳播過(guò)程中，如遇到井下低電阻的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時(shí)間變化，在其周圍又產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，稱為二次磁場(chǎng)。由于導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場(chǎng)大致按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減，形成瞬變磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)主要來(lái)源于低電阻地質(zhì)體的感應(yīng)電流，因此它包含著與地質(zhì)體導(dǎo)電性有關(guān)的地質(zhì)信息，二次磁場(chǎng)通過(guò)接收回線觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并對(duì)井下地質(zhì)體的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行解釋。

圖1 矩形框磁力線示意圖

2.2 物探儀器

2.2.1 YDT175 礦用無(wú)線電波透視儀

YDT175 礦用無(wú)線電波透視儀如圖2 所示，可探測(cè)采煤工作面內(nèi)部落差大于三分之一煤厚的斷層、煤層頂?shù)装迤鸱兓闆r、直徑大于10 m 以上的陷落柱、夾矸厚度變化帶等地質(zhì)異常情況。

圖2 YDT175 礦用無(wú)線電波透視儀

2.2.2 YCS2000A 礦用瞬變電磁儀

YCS2000A 礦用瞬變電磁儀如圖3 所示，是為煤礦井下含有瓦斯、煤塵爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中探測(cè)含水和導(dǎo)水地質(zhì)小構(gòu)造而設(shè)計(jì)制造的本質(zhì)安全電磁法勘探儀器。其主要功能是探測(cè)含水、導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造以及含水體等。

圖3 YCS2000A 礦用瞬變電磁儀

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集[4]

3.1 瞬變電磁數(shù)據(jù)采集

采集成果如圖4-圖8 所示：從11031 采煤工作面采止線位置開(kāi)始，每間隔10 m 設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)巷道走向及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境等因素，共計(jì)分為五段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，第一段為0～220 m、第二段為220～400 m、第三段為400～500 m、第四段為500～710 m、第五段為730～890 m。

圖4 瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集成果圖（0～220 m 段）

圖8 瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集成果圖（730～890 m 段）

3.2 無(wú)線電波透視法數(shù)據(jù)采集

無(wú)線電波透視法數(shù)據(jù)采集采用在11031 工作面回風(fēng)巷發(fā)射、運(yùn)輸巷接收的方式進(jìn)行；根據(jù)11031 工作面走向長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)透視勘探距離為900 m，接收點(diǎn)距10 m，發(fā)射點(diǎn)距50 m。數(shù)據(jù)采集成果如圖9 所示，其中，0 點(diǎn)坐標(biāo)為11031 采煤工作面運(yùn)輸巷與切眼交叉位置，其余點(diǎn)均為與0 點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)。由于11031 采煤工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷近似弧形，成果圖上的坐標(biāo)與實(shí)際存在一定的偏差，為更好地與工作面實(shí)際相對(duì)應(yīng)，將成果圖分為三個(gè)部分。

4 探測(cè)成果解釋[4]

4.1 瞬變電磁法成果解釋

（1）在11031 采煤工作面共計(jì)發(fā)現(xiàn)5個(gè)低阻異常區(qū)，分別命名為1#低阻異常區(qū)、2#低阻異常區(qū)、3#低阻異常區(qū)、4#低阻異常區(qū)、5#低阻異常區(qū)。將11031 采煤工作面止采線位置設(shè)置為0 點(diǎn)，1#低阻異常區(qū)橫向位于270～280 m 段，縱向分布范圍為10～45 m；2#低阻異常區(qū)橫向位于356～373 m 段，縱向分布范圍為10～50 m；3#低阻異常區(qū)橫向位于630～645 m 段，縱向分布范圍為10～50 m；4# 低阻異常區(qū)橫向位于655～670 m 段，縱向分布范圍為10～50 m；5#低阻異常區(qū)橫向位于675～710 m 段，縱向分布范圍為10～45 m。

圖5 瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集成果圖（220～400 m 段）

圖6 瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集成果圖（400～500 m 段）

（2）根據(jù)低阻異常區(qū)的分布，推測(cè)11031 采煤工作面內(nèi)的煤層或頂?shù)装逵辛严痘驍鄬?，且具有一定的富水性?/p>

4.2 無(wú)線電波透視法成果解釋

（1）無(wú)線電波透視法成果圖展示如圖9 所示，即0點(diǎn)坐標(biāo)為11031 采煤工作面運(yùn)輸巷與開(kāi)切眼交叉位置，其余點(diǎn)均為與0 點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，成果圖弧形方向?yàn)楣ぷ髅孢\(yùn)輸巷走向方向。

（2）如圖9 所示，11031 采煤工作面內(nèi)部裂隙與斷層較少，僅在該工作面北東側(cè)發(fā)現(xiàn)一處異常，范圍為765～830 m 段，同時(shí)，根據(jù)礦方提供資料，在運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中，未揭露到該段區(qū)域有斷層，從而推測(cè)該異常為走向斷層，走向大致與工作面運(yùn)輸巷平行，斷層走向長(zhǎng)約65 m，傾斜寬約17~22 m。

圖9 無(wú)線電波透視法數(shù)據(jù)采集成果圖

4.3 綜合解釋

（1）對(duì)比瞬變電磁法所發(fā)現(xiàn)的低阻異常區(qū)位置與無(wú)線電波透視法探測(cè)成果分析，5個(gè)低阻異常區(qū)位置均無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造異常反映，推測(cè)其5個(gè)低阻異常區(qū)不是11031 采煤工作面內(nèi)部的含水裂隙或斷層所引起的，而是由煤層頂?shù)装逯写嬖诘牧严痘蛐⌒蛿鄬铀鸬模矣幸欢ǖ母凰浴?/p>

（2）無(wú)線電波透視法探測(cè)成果顯示異常的位置在瞬變電磁法探測(cè)成果中未有反映，說(shuō)明該斷層區(qū)域富水性較差；推斷為11031 采煤工作面北東765～830 m段有一走向逆斷層，該斷層走向大致與運(yùn)輸巷平行，斷層走向長(zhǎng)約65 m，傾斜寬約17~22 m。

圖7 瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集成果圖（500～710 m 段）

（3）因物探成果具有多解性，礦井在11031 采煤工作面開(kāi)采時(shí)，應(yīng)對(duì)其低阻異常區(qū)和構(gòu)造異常區(qū)，即11031 采煤工作面北東765～830 m 區(qū)域時(shí)，提前采取措施，防止因工作面煤層內(nèi)部的走向逆斷層帶來(lái)的各種威脅。

5 結(jié)束語(yǔ)

興文縣大旗煤礦按照《煤礦防治水細(xì)則》的要求，對(duì)其首采的11031 采煤工作面實(shí)施了兩種物探方法，即“無(wú)線電波透視法”和“瞬變電磁法”探測(cè)的相互驗(yàn)證，探測(cè)出工作面北東765～830 m 區(qū)域有一走向逆斷層，為其開(kāi)采工作面區(qū)域的煤層提供了地測(cè)保障，對(duì)興文區(qū)域的煤礦工作面物探驗(yàn)證具有較強(qiáng)的示范作用。