復(fù)雜地質(zhì)條件回采面多手段綜合物探技術(shù)應(yīng)用與成果分析

周鵬

（霍州煤電集團(tuán) 技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)所屬礦井均位于霍西煤田，地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造及水害問(wèn)題一直以來(lái)制約著礦井的高效生產(chǎn)。由于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜多變、施工過(guò)程中客觀干擾因素不可排除等原因，造成了物探成果誤報(bào)率高、準(zhǔn)確率低的情況，說(shuō)明在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的條件下，單一物探手段經(jīng)常存在異常區(qū)圈定范圍不準(zhǔn)、漏報(bào)、誤報(bào)等問(wèn)題。因此需采取多種物探方法開(kāi)展綜合探查，并結(jié)合各種方法成果進(jìn)行分析研判，為礦井鉆探及后期安全高效回采提供準(zhǔn)確的物探地質(zhì)依據(jù)。

1 概 況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)億隆煤業(yè)1-105 工作面為該礦井標(biāo)高最低的備采面之一，最低標(biāo)高+138.5 m，奧灰水位520 m，承壓約3.8 MPa。工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，掘進(jìn)過(guò)程中正、副巷及切巷揭露8 條斷層，最大落差達(dá)H=5.1 m，為1 號(hào)煤層總厚度的3 倍（煤層厚度為1.7 m），且臨近的103 工作面回采過(guò)程中構(gòu)造擾動(dòng)滯后出水，最大涌水量達(dá)700 m3/h。105 回采工作面同樣存在內(nèi)部及底板下隱伏地質(zhì)構(gòu)造影響的可能，突水危險(xiǎn)性相對(duì)較大。

由于工作面地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，在該回采工作面形成后進(jìn)行了4 種物探手段進(jìn)行綜合探查，包括無(wú)線電坑透、瞬變電磁、音頻電透視以及直流電法測(cè)深，對(duì)4 種物探方法的綜合成果進(jìn)行分析研究，合理判斷和圈定綜合異常區(qū)域范圍。

2 無(wú)線坑透成果

2.1 基本原理

無(wú)線電波坑道透視是用來(lái)探測(cè)順煤層兩巷之間的各種地質(zhì)構(gòu)造異常體。工作時(shí)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于不同巷道中，發(fā)射機(jī)發(fā)射固定頻率的電磁波，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)電磁波穿透煤層后剩余場(chǎng)強(qiáng)值。

交替成層的含煤地層是非均勻介質(zhì)，電磁波在含煤地層中傳播可分解為垂直層理和平行層理方向，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，構(gòu)造引起的煤層破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水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（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)。

根據(jù)無(wú)線電透視探測(cè)成果，1-105 工作面共圈定4 處較為集中的異常區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 無(wú)線坑透ct 成果Fig.1 The CT results of radio wave tunnel perspective

2.2 成果解釋

E1 異常區(qū)位于1-1051 巷51～57 號(hào)測(cè)點(diǎn)，異常范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)衰減約15～25 db。分析該異常區(qū)范圍內(nèi)受巷道已揭露的F57H=4 m∠55°斷層影響。

E2 異常區(qū)位于1-1052 巷530～545 號(hào)測(cè)點(diǎn)間，異常范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)衰減約5～15 db。分析該異常區(qū)范圍內(nèi)可能受巷道已揭露的F52 H=5.1 m∠55°斷層影響。

E3 異常區(qū)位于1-1052 巷518～523 號(hào)測(cè)點(diǎn)間，異常范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)衰減約5～10 db。分析該異常區(qū)范圍內(nèi)存在隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

E4 異常區(qū)位于1-1052 巷507 號(hào)-509 號(hào)測(cè)點(diǎn)間，異常范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)衰減約5～10 db。分析該異常區(qū)范圍內(nèi)可能受巷道已揭露的F50H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5m∠80°斷層影響，不排除存在隱伏地質(zhì)構(gòu)造的可能。E4 異常區(qū)分析流程及依據(jù)如圖2 所示。

圖2 異常區(qū)原始數(shù)據(jù)分析流程及依據(jù)Fig.2 The original data analysis process and basis of abnormal area

3 瞬變電磁成果

3.1 基本原理

礦井瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。其基本工作方法是在巷道內(nèi)設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，在其周?chē)臻g產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，并在巷道周?chē)鷮?dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減，衰減過(guò)程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后不同時(shí)間的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

此次1-105 工作面瞬變電磁探測(cè)在頂板、順層、下45°三個(gè)方向共圈定5 處低阻異常區(qū)，編 號(hào)S1、S2、S3、S4 和S5，如圖3 所示。

3.2 成果解釋

S1 異常區(qū)位于1051 巷14～22 號(hào)測(cè)點(diǎn)；S2 異常區(qū)位于1051 巷5～12 號(hào)測(cè)點(diǎn)；S3 異常區(qū)位于1052 巷37～47 號(hào)測(cè)點(diǎn)；S4 異常區(qū)位于1052 巷13～16 號(hào)測(cè)點(diǎn)，預(yù)計(jì)S1～S4 異常區(qū)范圍內(nèi)構(gòu)造裂隙相對(duì)發(fā)育，含裂隙水。S5 異常區(qū)位于1052 巷2～8 號(hào)測(cè)點(diǎn)間，預(yù)計(jì)該異常區(qū)范圍內(nèi)受F50 H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5 m∠80°斷層影響構(gòu)造裂隙發(fā)育，含裂隙水。S5 低阻異常分析流程及依據(jù)如圖4所示。

圖4 異常區(qū)原始數(shù)據(jù)分析流程及依據(jù)Fig.4 The original data analysis process and basis of abnormal area

4 音頻電透成果

4.1 基本原理

由于地下各種巖（礦）石之間存在導(dǎo)電差異，影響著人工電場(chǎng)的分布形態(tài)。礦井音頻電透視法就是利用儀器在井下觀測(cè)人工場(chǎng)源的分布規(guī)律來(lái)達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。礦井音頻電透視法仍屬礦井直流電法，因其施工方法技術(shù)、資料處理技術(shù)的差異及主要針對(duì)性（探測(cè)采煤工作面內(nèi)部的構(gòu)造）等原因而形成礦井音頻電透視法分支。

此次探測(cè)128 Hz 音頻電成果是底板下0～40 m的地層信息，16 Hz 音頻電成果是底板下40～80 m的地層信息。探測(cè)圈定5 處明顯低電阻（高電導(dǎo)率）異常區(qū)，編號(hào)為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5，如圖5、圖6 所示。

圖5 1-105 回采面音頻電（128 HZ）透視成果Fig.5 The audio electrical perspective result（128 HZ）of No.1-105 face

圖6 1-105 回采面音頻電（16 HZ）透視成果Fig.6 The audio electrical perspective result（16 HZ）of No.1-105 face

4.2 成果解釋

Y1 異常區(qū)位于1-1052 巷54 號(hào)—切巷口；Y2異常區(qū)位于1-1051 巷48～53 號(hào)測(cè)點(diǎn)；Y3 異常區(qū)位于1-1051 巷35～37 號(hào)測(cè)點(diǎn)；Y4 異常區(qū)位于1-1051 巷15～17 號(hào)測(cè)點(diǎn)；Y5 異常區(qū)位于1-1052巷5～7 號(hào)測(cè)點(diǎn)，上述5 處異常區(qū)底板下一定深度范圍內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育，含裂隙水。

5 直流電測(cè)深成果

5.1 基本原理

礦井電法屬于全空間電法勘探，它以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，在全空間條件下建立電場(chǎng)，使用全空間電場(chǎng)理論處理和解釋有關(guān)礦井地質(zhì)問(wèn)題。礦井電法測(cè)深為電法的重要分支，是研究深度方向地層電性變化特征而獲得地質(zhì)信息的一種物探方法。它在同一觀測(cè)點(diǎn)逐次增大供電電極距，使電流穿透的深度由小變大，從而觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)處沿深度方向由淺到深地層的電性變化特征，主要用于研究電性分層和水文地質(zhì)問(wèn)題。受空間限制，礦井電法一般在巷道中進(jìn)行，供電電流通過(guò)布置在巷道內(nèi)的電極（供電電極）在巷道周?chē)鷰r層中建立起全空間穩(wěn)定電場(chǎng)，該穩(wěn)定場(chǎng)特征取決于巷道周?chē)鷰r石的電性特征、各種地質(zhì)構(gòu)造的分布和地質(zhì)異常體的賦存狀態(tài)，通過(guò)觀測(cè)和研究分析該穩(wěn)定場(chǎng)的分布特征，對(duì)物探資料進(jìn)行推斷解譯，達(dá)到探測(cè)地質(zhì)體的目的。

此次電測(cè)深剖面成果分析解釋共圈定6 處底板異常區(qū)域，如圖7、圖8 所示。

圖7 1-1051 巷底板方向測(cè)深探測(cè)視電阻率等值線圖Fig.7 Apparent resistivity contour diagram of No.1-1051 roadway floor direction exploring depth detection

圖8 1-1052 巷底板方向測(cè)深探測(cè)視電阻率等值線圖Fig.8 Apparent resistivity contour diagram of No.1-1052 roadway floor direction exploring depth detection

5.2 電測(cè)深剖面異常區(qū)解釋

（1）在沿1-1051 巷底板方向探測(cè)時(shí)，相對(duì)視電阻率值總體變化較大，此次探測(cè)圈定2 處明顯的低阻異常區(qū)，分別編號(hào)為Z1、Z2。

Z1 異常區(qū)位于43～46 號(hào)測(cè)點(diǎn)間底板0～56 m范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)該異常區(qū)受F52 H=4 m∠45°斷層影響所致，構(gòu)造垂向裂隙發(fā)育，含裂隙水。

Z2 異常區(qū)位于6～12 號(hào)測(cè)點(diǎn)間底板0～30 m范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)該異常區(qū)為F50 H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5 m∠80°斷層延伸至1051 巷底板或其它隱伏構(gòu)造垂向裂隙發(fā)育，含裂隙水。

（2）在沿1-1052 巷底板方向探測(cè)時(shí)，相對(duì)視電阻率值總體變化相對(duì)較大，此次探測(cè)圈定4 處明顯的低阻異常區(qū)，分別編號(hào)為Z3、Z4、Z5、Z6。

Z3 異常區(qū)位于46～50 號(hào)測(cè)點(diǎn)間底板20～50 m范圍內(nèi)。

Z4 異常區(qū)位于35～43 號(hào)測(cè)點(diǎn)間底板10～50 m范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)異常區(qū)范圍構(gòu)造垂向裂隙發(fā)育，含裂隙水。

Z5 異常區(qū)位于27～34 號(hào)測(cè)點(diǎn)間底板5～56 m范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)該異常區(qū)受F52 H=5 m∠55°斷層影響所致，構(gòu)造垂向裂隙發(fā)育，含裂隙水。

Z6 異常區(qū)位于5～11 號(hào)測(cè)點(diǎn)間底板0～56 m范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)該異常區(qū)受F50 H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5 m∠80°斷層影響所致，預(yù)計(jì)異常區(qū)范圍內(nèi)構(gòu)造垂向裂隙發(fā)育，含裂隙水。

5.3 電測(cè)深切片成果解釋

（1）1-105 工作面底板下30 m 視電阻率切片圖中相對(duì)視電阻率值總體變化相對(duì)較大，此次探測(cè)圈定4 處明顯的低阻異常區(qū)。分別編號(hào)為Z1、Z3-4（30 m 深度切片Z3、Z4 合并）、Z5、Z2-6（30 m 深度切片Z2、Z6 合并），如圖9 所示。

圖9 1-105 工作面底板下30 m視電阻率低阻異常切片圖Fig.9 Slice diagram of apparent resistivity lowresistivity abnormity at 30 m belowthe floor of No.1-105 face

（2）1-105 工作面底板下40 m 視電阻率切片圖中相對(duì)視電阻率值總體變化相對(duì)較大，此次探測(cè)圈定3 處明顯的低阻異常區(qū)。分別編號(hào)為Z1-3-4（40 m 深度切片Z1、Z3、Z4 合并）、Z5、Z2-6（40 m 深度切片Z2、Z6 合并），如圖10 所示。

圖10 1-105 工作面底板下40 m視電阻率低阻異常切片圖Fig.10 Slice diagram of apparent resistivity lowresistivity abnormity at 40 m belowthe floor of No.1-105 face

（3）1-105 工作面底板下50 m 視電阻率切片圖中相對(duì)視電阻率值總體變化相對(duì)較大，探測(cè)圈定1 處明顯的低阻異常區(qū)，編號(hào)為Z1-2-3-4-5-6（50 m 深度切片Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6 合并），如圖11 所示。

圖11 1-105 工作面底板下50m視電阻率低阻異常切片圖Fig.11 Slice diagram of apparent resistivity lowresistivity abnormity at 50 m belowthe floor of No.1-105 face

6 綜合成果分析

綜合分析成果如圖12 所示，圖中坑透用E 表示，瞬變用S 表示，音頻用Y 表示，直流電測(cè)深用Z 表示。

圖12 綜合分析成果Fig.12 Comprehensive analysis results

對(duì)圖12 進(jìn)行優(yōu)化，分為煤層內(nèi)部構(gòu)造異常和底板富水性綜合異常。煤層內(nèi)部異常區(qū)用坑透成果表示；底板富水性綜合異常是將富水性探測(cè)成果中重疊區(qū)域進(jìn)行合并、優(yōu)化后圈定，用D 表示，如圖12 所示。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)億隆煤業(yè)1-105 工作面綜合物探實(shí)驗(yàn)成果，表明采用綜合物探能夠很好的圈定復(fù)雜地質(zhì)條件下回采工作面內(nèi)部隱伏地質(zhì)構(gòu)造的賦存情況，尤其是多種物探手段的重疊異常區(qū)域范圍，能夠合理指導(dǎo)礦井后期鉆探工作，保障礦方安全生產(chǎn)。多手段物探成果也可以相互對(duì)比印證，排除干擾異常范圍，使得物探成果準(zhǔn)確率更高，異常范圍“靶區(qū)”更為精準(zhǔn)。同時(shí)需對(duì)重疊異常區(qū)進(jìn)行后期收集驗(yàn)證，進(jìn)而有效總結(jié)物探規(guī)律，為下一步更好的圈定異常區(qū)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

圖13 綜合探測(cè)成果優(yōu)化異常區(qū)分析成果Fig.13 The analysis results of comprehensive detection results optimizing abnormal area