综合物探方法掘进面前方陷落柱探测中的应用

王 立

(霍州煤电汾河焦煤公司,山西 临汾 041602)

陷落柱是华北地区煤炭回采时常见地质构造类型之一,根据已有物探、钻探以及井下采掘活动揭露显示,部分矿区陷落柱发育高度可达到500 m、陷落柱长轴可达到200 m.陷落柱发育区会破坏含煤地层、煤层等稳定性及连续性,导致煤炭资源大量损失;同时发育的陷落柱会影响井下采掘作业面正常布置,部分区域坚硬矸或者煤层倾角波动等会影响综合机械化设备使用效率,制约煤炭资源的回收[1-4]。由于陷落柱影响范围内裂隙发育,往往是较为理想的导水通道,若导水陷落柱探测精度偏低,当出现误揭或者无计划揭露陷落柱时,容易出现涌水量增大,甚至诱发突水事故。如河北某矿在回采揭露9号陷落柱时呈出现突水事故,导致多人伤亡并造成严重的经济损失;内蒙古某矿在回采期间未重视陷落柱探测,回采期间揭露有导水陷落柱,导致淹井事故发生并造成多人伤亡[5-7]。

山西某矿井田开采范围内地质构造发育,井下巷道多是沿着回采的2号煤层掘进,现阶段巷道掘进已揭露有11个陷落柱,陷落柱内主要充填有泥质胶结的杂乱岩块,同时陷落柱多不富水、不具备导水性。2号煤层回采期间水源主要为顶板砂岩裂隙水且受地面大气降水补给,不排除陷落柱在回采扰动下出现导水可能。为实现煤炭安全回采,针对井田开采范围内陷落柱发育特点,提出综合采用瞬变电磁、瑞雷波超前探测方法对巷道掘进前方陷落柱发育位置、富水性等进行探测,以期为巷道安全掘进提供较为详实的地质资料。

1 综合物探技术分析

1.1 综合物探技术

1.1.1 瞬变电磁超前探测

瞬变电磁法是通过人工激发电磁场,在探测目标附近会产生二次感应场,通过分析二次感应场分布规律即可实现探测区域地质探测。在进行瞬变电磁探测时,由于受巷道全空间影响,获取到的电磁感应信号为巷道顶、底板的空间的综合电磁感应,瞬变电磁探测具备有双烟圈效应,具体如图1所示。

图1 瞬变电磁双烟圈效应示意

结合煤矿井下情况,在巷道前方陷落柱探测时选用YSC2000瞬变电磁仪,该设备具有自动化程度高、轻便、抗干扰能力强等优点。结合矿井地层特点,瞬变电磁仪设定发射频率为12.5 Hz、叠加200次;瞬变电磁波用边长2 m、20匝回线的正方形线框发射,采用磁探头接收,采扇形探测方式(多角度、多方向)。将探测装置布置在掘进迎头,探测顶板、迎头前方及底板各方向探测收发装置布置如 图2所示。

图2 瞬变电磁布置示意

1.1.2 瑞雷波探测

瑞雷波是通过人工震源激发,在作业面不同位置布置检波器用以接收震波信号,通过两路不同频率信号的相位差,即可实现探测区域内瑞雷波的传播速度、时间。具体巷道掘进迎头内瑞雷波探测布置如图3所示。

图3 瑞雷波探测布置示意

在巷道掘进前方陷落柱探测时选用YTR(D)仪,该设备可同时连接5个检波器,结合矿井现场实际情况,通过瑞雷波可实现掘进巷道前方60 m范围内超前探测。

1.2 数据处理及解释

瞬变电磁探测数据通常处理分为3步:

1) 对采集的数据进行回放,剔除畸变电,并通过多组滤波处理,采用晚期视电阻率计算公式将不同采集时间获取的感应点位值转换成视电阻率值;

2) 将时间信息转换成深度信息,后通过坐标转换将矩形断面坐标转换成扇形坐标;

3) 采用Surfer软件绘制视电阻率等值线扇形断面图。

瑞雷波探测是对采集的瑞雷波进行分析,并依据两路不同频率信号的相位差确定瑞雷波传播速度、时间。

2 现场应用分析

2.1 地质概况

山西某矿西翼回风大巷设计为矩形断面,沿2号煤层底板掘进,煤层厚度均值3.6 m、倾角2～4°,赋存稳定,全区可采,煤层顶底板岩性以粉砂岩、炭质泥岩以及砂质泥岩等为主。西翼回风大巷设计采用EBZ260综掘机掘进,净宽5.0 m、净高3.6 m,设计采用锚网索支护围岩。

2.2 综合物探探测

为确保巷道掘进安全,避免误揭地质构造带来的问题,西翼回风大巷在掘进期间综合采用瞬变电磁法、瑞雷波探测法进行超前探测,并采用钻探方式进行验证,提高超前探测效率。具体西翼回风大巷在掘进至390 m位置的超前探测结果如图4、图5所示。

图4 瞬变电磁探测成果图

图5 瑞雷波探测成果图

从图4(a)中可以看出,在巷道迎头对30°仰角方向进行探测时,获取的探测区域内视电阻率等值线呈发散状态分布,且视电阻率均在24 Ω·m以上,推断探测方向煤岩体分布较为稳定,探测区域内含水性较差。从图4(b)可以看出,顺着巷道掘进方向,在与掘进迎头相距22～54 m位置内发育有视电阻率小于24 Ω·m低电阻区,且该低电阻区呈椭圆形;对比掘进前方80 m范围内视电阻率分布情况,发现该低电阻区视电阻率未明显变小,表明探测区域内岩体富水性较弱,该低电阻区主要是地质构造导致煤岩体岩性出现变化且富水性较差。从图4(c)看出,在巷道迎头按照30°俯角进行探测时,在迎头前方22～55 m范围内有视电阻率在24 Ω·m以下的低电阻区,且该低电阻区形态呈现椭圆状。按照30°俯角确定的低电阻区范围与顺巷道方向探测的低电阻区重叠,形态上均呈现为封闭的椭圆形。

从图5可以看出,在西翼回风大巷掘进迎头前方距离掘进迎头23 m、55 m位置均形成有波幅变化较大的尖峰,表明波峰对应位置附近有较为剧烈的构造,煤岩体连续性遭受破坏。

通过综合比瞬变电磁探测成果(巷道迎头30°仰角、顺着巷道掘进方向以及30°俯角瞬变电磁探测成果)以及瑞雷波探测成果,综合确定巷道掘进迎头前方22～55 m范围内发育有陷落柱且该陷落柱富水性较弱。

2.3 钻探验证

为验证综合物探成果,在西翼回风大巷迎头布置3个探测钻孔,钻孔均布置在煤层中,其中1号钻孔、3号钻孔均有15°外插角,2号钻孔垂直煤壁布置,具体布置如图6所示。

图6 探测孔布置示意

1号钻孔0～28 m、28～60 m、60～80 m钻进时分别揭露煤、泥-岩混合物、煤;2号钻孔0～25 m、25～57 m、57～70 m钻进时分别为煤、泥-岩混合物、

煤;3号钻孔在0～27 m、27～60 m、60～80 m.通过钻探验证,综合物探异常区确定为陷落柱,该陷落柱内充填物为泥质胶结的砂岩,陷落柱内富水性较差。后续西翼回风大巷掘进也验证,综合物探异常区为陷落柱,巷道在陷落柱内掘进时围岩较为破碎,顶板仅有少量淋水,陷落柱内部富水性较差。钻探以及掘进揭露限制,综合物探探测成果可信度较高,可在一定程度上为巷道安全掘进提供支撑。

3 结 语

煤矿井下掘进巷道空间狭小,采用综合物探技术对掘进前方潜在地质构造进行探测,可为巷道掘进提供较为可靠的地质资料。当巷道掘进前方发育有陷落柱时,陷落柱边缘以及内部与煤岩体间会出现明显的电性差异,同时由于岩性差异会导致瑞雷波波速出现明显变化,因此综合使用瞬变电磁法以及雷瑞波法可实现煤矿井下陷落柱的探测,较为精准的圈定陷落柱发育位置及影响范围。文中就对瞬变电磁法以及雷瑞波法技术分析基础上,以矿井西翼回风大巷掘进为工程背景,对综合物探应用情况进行综合分析,现场确定在巷道掘进迎头前方22～55 m范围内发育有陷落柱,该陷落柱富水性较弱。后通过钻探方式验证综合物探异常区内陷落柱。

在西翼回风大巷揭露陷落柱前,综合采用超前注浆、强化围岩支护等方式,避免了误揭陷落柱存在的围岩变形量大、顶板冒落、围岩支护体系失效或者突水等问题。综合物探成果在一定程度为西翼回风大巷安全掘进提供了较为可靠的地质资料。