綜合物探技術(shù)在馬蘭礦探查隱伏陷落柱中的應用

張 陸

(山西焦煤 西山煤電集團馬蘭礦, 山西 古交 030200)

煤礦陷落柱作為一種較復雜的地質(zhì)構(gòu)造,其成因是該區(qū)域下部為石灰?guī)r,并且?guī)r溶較為發(fā)育,在重力作用下,覆巖向下塌陷而形成[1]. 陷落柱多數(shù)不導水,但是陷落柱只要導水,就容易引發(fā)大的突水事故[2].所以在工作面回采時,應重視對工作面內(nèi)部隱伏陷落柱的探查[3].

馬蘭礦18502工作面回采過程中,在對疑似陷落柱S91鉆探控制過程中,出現(xiàn)部分鉆孔有涌水現(xiàn)象。為掌握18502工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況及工作面內(nèi)S91陷落柱的富水情況,利用地球物理勘探技術(shù)對該工作面進行探測。

因為陷落柱一般充填煤層頂?shù)装迤扑閹r石,其地震波速度、密度與煤層存在較大的差異,其接觸面為波阻抗界面,這為槽波勘探提供了地球物理前提[4]. 而選用一種勘探方法并不能獲得疑似陷落柱較為準確的水文地質(zhì)資料[5],所以該次探測同時選用音頻電透視技術(shù)對S91陷落柱的富水性進行評價;運用槽波地震勘探技術(shù)查明18502工作面內(nèi)落差大于煤層厚度1/2的已揭露及隱伏斷層延展發(fā)育情況及直徑大于20 m隱伏陷落柱的展布情況;通過音頻電透視技術(shù)及槽波地震勘探技術(shù)的結(jié)果進行綜合分析,獲得更為精準、全面的地質(zhì)信息[6].

1 實際工程

1.1 工程概況

勘探區(qū)開采煤層為太原組下部的8號煤層,頂板是石灰?guī)r,底板是細砂巖;與圍巖相比,煤層具有速度低、密度小的特點,在地質(zhì)剖面中,煤層是一個典型的低速夾層,煤層頂?shù)装鍘r層界面均是高波阻抗,具有槽波形成的條件[7].

1.2 現(xiàn)場施工布置

該次槽波勘探范圍為切眼后退1 150 m;音頻電透視范圍為：18502輔運巷F02-L3號點前51.7 m至F02-10號點前34.2 m,即35#—65#標記點(推斷陷落柱S91前后共計300 m). 18502工作面槽波、電透勘探范圍見圖1.

圖1 18502工作面槽波、電透勘探范圍圖

2 槽波地震勘探技術(shù)

2.1 槽波地震勘探技術(shù)原理

在含煤地層中,煤層與圍巖間的界面一般呈現(xiàn)良好的反射面。相比于頂?shù)装鍑鷰r,含煤地層由于其低速度、低密度的特點,通常以低波阻抗出現(xiàn)。通過采用槽波地震勘探技術(shù),以震源為中心激發(fā)的P波及S波,以球面體波形式向四周傳播,并以不同方向的入射角至頂?shù)装褰缑鎇8].在煤層中,地震波受到煤層影響以低速自內(nèi)向外進行擴散傳播。地震波在煤層傳播過程中,上行、下行波相互干涉、迭加。只滿足一定條件的各種諧波,在槽內(nèi)相互干涉而形成垂直于煤層面的駐波,在煤層內(nèi)不斷向前傳播,這就形成了槽波,也稱煤層波[9].槽波的形成原理示意圖見圖2.

圖2 槽波的形成原理示意圖

2.2 槽波地震勘探試驗

槽波地震勘探所選用的觀測系統(tǒng)為槽波透射觀測系統(tǒng),即一條巷道發(fā)射,同時在對面巷道接收,之后發(fā)射與接收巷道交換,重復探測。18502工作面槽波勘探炮點及檢波點布置見圖3.

圖3 18502工作面槽波勘探炮點及檢波點布置示意圖(輔運巷放炮、皮帶巷接收)

2.3 槽波地震勘探技術(shù)物探異常分析

從槽波傳播規(guī)律可知,拉夫型槽波傳播受制于煤層,其傳播路徑與煤層的起伏一致,煤層的橫向均一性對槽波的干涉、速度、能量均有調(diào)制作用。當工作面內(nèi)煤層巖性單一、穩(wěn)定時,槽波能夠穿透大部分工作面,且由于在煤層傳播過程中速度慢,穿透工作面時能量衰減小,衰減速率慢,可以較好地進行觀察并應用于異常體的識別。18502工作面槽波勘探能衰減系數(shù)成果圖見圖4. 圖4中淺色區(qū)域代表衰減系數(shù)大,深色區(qū)域代表衰減系數(shù)小。該次槽波透視共圈定18處能量衰減系數(shù)高值異常區(qū),異常區(qū)編號標識為：CF1#—CF17#及CX1#.

圖4 18502工作面槽波勘探能衰減系數(shù)成果圖

綜合槽波透視能量衰減情況、相關(guān)地質(zhì)資料、現(xiàn)場實際揭露情況等,對各個異常區(qū)范圍做出物探異常地質(zhì)評價：異常區(qū)CF1#、CF2#、CF3#、CF5#、CF7#、CF8#、CF9#、CF10#、CF11#可能為小于1/2煤厚的斷層影響范圍,對回采影響較小。CF12#靠近巷幫部分為大于1/2煤厚的斷層影響范圍,由于此范圍靠近切眼位置中部,為整個槽波探測數(shù)據(jù)量最少的區(qū)域,因此靠近切眼中部位置可能存在其他構(gòu)造。劃定范圍為工作面外部已揭露斷層的延伸范圍,對回采有一定影響。CF13#—CF17#為多條斷層綜合反映區(qū),地質(zhì)情況相對較復雜,對回采有一定的影響。CX1#推測為S91陷落柱范圍以及陷落柱外部影響頂?shù)装瀹惓７秶?對回采影響較大。

3 礦井音頻電透視技術(shù)

3.1 礦井音頻電透視技術(shù)原理

礦井音頻電透視技術(shù)是基于地下各種巖石之間的導電性差異性,通過人工場源改變礦井原有的電場分布情況,并通過觀察分析人工場源影響下電場的分布規(guī)律,結(jié)合已有的地質(zhì)資料獲得所需要的地質(zhì)信息[10].

從廣義上來講,礦井音頻電透視技術(shù)仍屬礦井直流電法。因為現(xiàn)場施工工藝、資料的后處理及探測范圍為采煤工作面內(nèi)部富水性異常,與一般礦井直流電法存在差異性,而形成了特定的一個分支[11].音頻電透視技術(shù)原理示意圖見圖5.

圖5 音頻電透視技術(shù)原理示意圖

3.2 礦井音頻電透視技術(shù)探測結(jié)果及解釋

當?shù)叵聨r性比較均勻時,在相同的電場下某區(qū)域所得視電導率數(shù)值越高,則證明該區(qū)域的導電性越好,越可能存在地質(zhì)異常。根據(jù)現(xiàn)場所得到的數(shù)據(jù),確定巖層電性異常區(qū)域,經(jīng)處理后得到：在10～20 m層位,視復電導率在9.8～14.2 S/m,平均值為11.77 S/m,標準偏差為0.48 S/m,該層位異常閾值為11.93 S/m;20～40 m層位,視復電導率在18.08～23.98 S/m,平均值為20.04 S/m,標準偏差為0.61 S/m, 該層位異常閾值為20.24 S/m;40～70 m層位,視復電導率在11.78～20.87 S/m,平均值為14.14 S/m,標準偏差為0.81 S/m,該層位異常閾值為14.41 S/m;70～100 m層位,視復電導率在9.85～19.68 S/m,平均值為14.03 S/m,標準偏差為0.84 S/m,該層位異常閾值為14.31 S/m;100～125 m層位,視復電導率在10.25～21.9 S/m,平均值為13.33 S/m,標準偏差為0.99 S/m,該層位異常閾值為13.66 S/m.

3.3 礦井音頻電透視技術(shù)異常分析

按照異常閾值標準,對比分析各層段的視復電導率分布特征,確定18502工作面底板0～20 m、70～100 m、100～125 m整體電導率相對較高,且在平面圖中標記為DT1#、DT2#、DT7#、DT8#、DT9#、DT10#、DT11#、DT14#位置電導率相尤為明顯提高。

音頻電透視勘探結(jié)果反映工作面底板不同深度共計存在14個視復電導率較高區(qū)域,經(jīng)分析確定：

1) 70～100 m和100～125 m電導率擬斷面圖綜合判斷,較多區(qū)域電導率值高于閾值,表現(xiàn)為相對低阻、高電導,且相對均一連續(xù),同時,結(jié)合地質(zhì)情況可知,底板下78 m后為有奧灰發(fā)育區(qū)段相對應,故推斷勘探范圍內(nèi)底板奧灰整體存在富水性,且在平面圖中標記為DT9#、 DT10#、DT11#、DT12#、 DT13#、DT14#位置富水性尤為明顯。

2) 結(jié)合DT1#、DT5#,主要發(fā)育在工作面中段,位于工作面退尺440～545 m. 淺層電性異常集中、幅度大,隨深度遞減,異常幅度降低,推測該異常區(qū)段8煤底板地測裂隙發(fā)育,少量富水,綜合分析此范圍內(nèi)可能為陷落柱導致周邊的巖性發(fā)生了明顯變化而形成的,存在弱富水性。

3) DT3#、DT4#、DT6#發(fā)育范圍均較小,區(qū)域內(nèi)視復電導率大于閾值,分析判定該區(qū)因斷層等構(gòu)造發(fā)育,導致巖層裂隙相對發(fā)育。

綜合各個深度的探測結(jié)果綜合分析,得出一個電透異常區(qū)為DTY1#異常區(qū),見圖6.

圖6 18502工作面音頻電透視成果圖

4 綜合物探結(jié)果分析

通過綜合物探所得的資料處理,結(jié)合現(xiàn)場實際和已知的地質(zhì)資料,進行綜合分析后得出結(jié)論,18502工作面綜合物探成果圖見圖7.

圖7 18502工作面綜合物探成果圖

槽波地震勘探技術(shù)對地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域有明顯反應,圈定地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)18處,編號為CF1#—CF17#及CX1#;音頻電透視技術(shù)得出一個電透異常區(qū)為DTY1#異常區(qū)。

5 鉆探驗證情況

通過鉆探驗證工作,探明了工作面內(nèi)無落差大于5 m的斷層;控制了工作面內(nèi)落差大于1 m斷層的延伸情況,工作面內(nèi)部所有斷層均不含水(落差小于1 m斷層控制效果相對較差);控制了由2號煤工程揭露控制的S91陷落柱,預計長軸×短軸=38 m×34 m(槽波勘探控制陷落柱長軸×短軸=62 m×40 m,根據(jù)鉆探驗證分析為陷落柱邊緣煤巖層裂隙發(fā)育及傾角異常變化影響所致),鉆孔揭露時有涌水現(xiàn)象,已自然疏干;工作面掘進時于皮帶巷里程1 201 m揭露S164陷落柱,后經(jīng)切眼外部鉆探控制驗證,分析該陷落柱和S72陷落柱在8號煤層合并為一個,預計長軸×短軸=137 m×61 m,不含水;根據(jù)鉆探資料分析,X2三維勘探陷落柱范圍未見異常情況,分析為小型隱伏構(gòu)造發(fā)育影響所致。工作面內(nèi)部S91陷落柱存在一定含導水性情況,需進行注漿治理加固底板,治理驗收合格后,工作面可以正常回采。

6 結(jié) 論

1) 單一的勘探形式,很難完整掌握巖層的地質(zhì)信息,而現(xiàn)在綜合物探成為當前的一種主流形式。綜合運用多種探測手段,結(jié)合多種技術(shù)的優(yōu)勢,突破單一物探手段的局限性,更加全面地、準確地獲得完整的現(xiàn)場地質(zhì)信息。

2) 通過槽波地震勘探技術(shù)能夠查明工作面內(nèi)落差大于1/2煤厚的已揭露及隱伏斷層延展發(fā)育情況以及直徑大于20 m隱伏陷落柱的展布情況,圈定地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)18處,推斷陷落柱異常區(qū)1處,推斷落差在1/2煤厚以上的斷層異常區(qū)4處。采用音頻電透視技術(shù)對S91陷落柱的富水性進行了評價,得出電透異常區(qū)1處。

3) 綜合物探結(jié)束后,利用鉆探驗證手段可以有效控制工作面內(nèi)構(gòu)造的發(fā)育情況,有效指導工作面安全回采。

4) 今后綜合物探技術(shù)的發(fā)展,將進一步結(jié)合各種勘探技術(shù)的優(yōu)點,發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢,獲得更加完整、準確的地質(zhì)信息,為煤礦的安全生產(chǎn)提供更高效的保障。