综合物探方法在掘进面前方陷落柱探测中的应用

李贤忠

(汾西矿业双柳煤矿，山西 柳林 033300)

我国煤炭赋存范围广泛，煤层中发育有以断层、陷落柱等为主的地质构造。当煤层中发育有陷落柱时会破坏煤层顶底板完整性，给采面正常生产及巷道掘进带来不利影响[1-3]。同时，陷落柱也是良好的导水通道，当与附近含水层连通时可能会造成矿井出现涌水事故。因此，预测巷道掘进前方陷落柱等地质构造发育情况，并根据预测结果提前采取应对措施，对确保巷道掘进安全具有重要意义。根据有关研究成果发现，将瞬变电磁法、瑞雷波法相结合可实现对陷落柱发育范围及含水情况的有效探测[4-7]。因此，本文将瞬变电磁法、瑞雷波法用以掘进巷道前方地质构造探测，以便为巷道掘进提供可借鉴参考资料。

1 工程概况

山西某矿开采的井田内陷落柱发育，矿井主采的5煤地质构造复杂，厚度平均3.6 m，为优质动力煤。现阶段矿井布置的506运输巷沿着5煤底板掘进，该巷道主要担任5号煤南翼开采时通风、运输以及行人任务。5号煤层顶底板岩性均为砂质泥岩，附近含水层为顶板灰岩裂隙水含水层，富水量中等。506运输巷设计掘进长度1 380 m，矩形断面，采用锚网索喷支护方式。目前已掘进接近800 m，根据已掘巷道揭露的地质构造统计发现，该巷道已揭露多达7个陷落柱，陷落柱内多为破碎的岩块堆积，中间被泥岩胶结，已揭露的陷落柱均不含水且导水性差。

2 综合物探现场应用

2.1 瞬变电磁法现场应用

由于煤矿井下空间狭小，受到巷道全空间影响人工激发的电磁场信号会在巷道顶底板形成综合电磁感应，并形成电流环向周边逐渐扩散，形成双烟圈效应。在井下一般采用小型瞬变电磁仪(YSC2000)，该设备具有自动化程度高、体积小、携带轻便等优点。根据全空间效应原理并结合该矿掘进巷道岩层赋存特点，将瞬变电磁仪的发射频率设计为12.5 Hz，叠加次数选择200次，信号发射采用20匝回路(2 m×2 m正方形)，磁探头接收电磁信号。为了实现对巷道掘进前方地质赋存情况的精准探测，探测方式选用扇形方式，可实现多角度多方向探测。

将瞬变电磁仪布置在掘进巷道迎头位置，按照图1所示角度对掘进前方煤岩体地质构造发育情况进行探测。

图1 瞬变电磁仪不同角度布置示意图

2.2 瑞雷波法现场应用

该探测技术是在掘进工作面布置人工震源激发震波信号，在掘进工作面布置检波器用以接收震波信号，具体震源及检波器布置位置见图2。

图2 震源及检波器布置示意图

两路不同震波信号具有不同的频率，根据相位差即可计算出震波传播耗时及传输速度，从而对探测范围内的地质体赋存情况进行预测。 在掘进巷道迎头布置雷瑞斌仪[(型号YTR(D)]，该设备可同时连接5台检波器，实现对掘进工作面前方60 m范围内的煤岩体赋存情况进行探测。

3 现场应用成果分析

为了确保506运输巷掘进安全，降低陷落柱等地质构造对巷道掘进影响，矿井决定在采用瞬变电磁法结合瑞雷波法对掘进前方可能存在的对巷道掘进安全带来影响的地质构造进行探测。选用的瞬变电磁法获取到的电阻率分布图像见图3a)所示，瑞雷波法获取到的探测结果见图3b)所示。

从图3a)可看出，当瞬变电磁仪以30°仰角对巷道掘进前方煤岩体地质构造赋存情况进行探测时，获取到的视电阻率等值线以发射状态分布，且视电阻率均高于24 Ω·m，由此判定该探测方向前方煤岩体赋存较为稳定，不存在富水区；当瞬变电磁仪按照90°角度(顺巷道掘进方向)布置时，在掘进迎头前方21 m～55 m范围有一椭圆形低阻区，视电阻率均在24 Ω·m以内，对比掘进迎头前方80 m范围内的视电阻率分布情况可发现，该低阻区内视电阻率变化不明显，表明探测区域煤岩体富水性差，低阻区为地质构造引起的岩性变化引起；当瞬变电磁仪以30°俯角布置时，在距掘进迎头21 m～53 m位置存在有一个椭圆形、封闭的低阻区，该低阻区范围与90°角布置时获取到的低阻区范围重叠，分析判定该低阻区为陷落柱。结合在掘进迎头30°仰角、90°角以及30°俯角三个方向瞬变电磁探测结果发现，在掘进迎头前方21 m～53 m范围发育有陷落柱。

图3 综合物探成果图

依据图3b)发现，在与掘进迎头相距21 m、53 m有较大振幅的尖峰，表明上述两个位置附近有煤岩层变化较为明显的地质构造。

4 钻探验证

为了验证物探探测结果，在506运输巷掘进迎头布置3个探测钻孔，分别按照30°仰角、垂直煤壁以及30°俯角向巷道掘进方向布置，具体布置见第176页图4。

具体3个探测孔探测结果见第176页表1所示。从钻屑统计结果可判定物探圈定的异常区为陷落柱。后期巷道掘进至该位置时也揭露该陷落柱，同时陷落柱内砂岩块被泥岩胶结，仅有少量的淋水。表明，文中采用的综合探测技术探测成果可信度较高，探测成果可指导后续巷道掘进。

图4 探测钻孔布置示意图

表1 探测钻孔不同钻进位置钻屑统计情况

5 结语

综合物探技术可适应矿井井下狭小空间，将瞬变电磁法、瑞雷波法相结合对506运输巷掘进前方地质构造进行探测，并采用钻探方对探测结果进行验证。结果表明，采用综合物探方法探测到巷道掘进迎头前方21 m～53 m存在有不导水陷落柱，钻探及后续巷道掘进均揭露探测到的陷落柱。表明，文中选用的瞬变电磁法、瑞雷波法相结合的综合物探方式探测结果具有较强的可信度。