邢 楷,刘江敏,郝宇军,王克南,马志超

(1.晋煤集团技术研究院 物探工程分公司,山西 晋城 048000;2.煤炭科学技术研究院有限责任公司,北京 010000)

工程物探方法能够快速和大面积普查,已成为探明地下采空区的一项有力的勘探手段,各种物探方法都有自己的优缺点和适用条件,并且常常具有多解性[1]。煤矿复采区域的未知采空区的状态和性质极其复杂[2],常规的物探手段会受到密集棚支护的强烈干扰[3]。单一的物探手段在复杂地形地质和开采条件下很难确定采空区的分布及其特点,所以综合物探技术是采空区调查和采空区积水治理的有效手段[4]。

1 探测区域概况

某整合矿井1301复采工作面位于山西组3#煤,由1201进风巷和1202回风巷形成,进风巷探测长度约410 m,回风巷探测长度约400 m,切眼长度为80 m。巷道为密集棚支护,层顶板为粉砂岩,底板为泥岩。工作面内煤层受原老窑破坏较为严重。

2 探测原理

2.1 矿井坑透法

无线电波透视法利用电磁波在各种岩层和煤层的电性(电阻率ρ和介电常数ε)的不同,来探测待采工作面内的地质异常体[5]。当在工作面的一侧向另一侧发射电磁波,若其间存在着低于煤层电阻率的地质构造时,电磁波能量就会被吸收或完全屏敝,使信号显著减弱或收不到信号,从而形成一个“阴影区”,交换发射机与接收机的位置,测得同一个异常体的“阴影区”,即为所要探测的异常体的位置和范围。图1为无线电波坑道透视定点发射与接收范围示意图。

图1 无线电波坑道透视定点法发射与接收范围示意图Fig.1 Transmitting and receiving range with radio wave tunnel perspective pointing technique

2.2 矿井音频电透法

音频电透法通过一对接地电极把电流供入大地中,而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻

率所必须的电位或电位差信息。从电性特征上来分析不同岩性的地层,其一般规律为:煤层电阻率相对较高、砂岩次之、泥岩及页岩类最低[6](见表1)。即泥岩、页岩、粉砂岩等与煤层导电性差异明显。由于煤系地层的沉积序列比较清晰,在原生地层状态下,导电性特征在纵向有其固定的变化规律,而在横向上相对比较均一。当存在陷落柱、断层、裂隙等地质构造,无论其含水与否,都将打破地层电性在横向及纵向上的分布规律[7]。

表1 一般煤系地层常见岩石电阻率值Table 1 Resistivity value of common rocks in general coal strata

3 施工布置

3.1 矿井坑透法

现场数据采集在回风巷布置发射点,对应每个发射点在进风巷接收11个实测场强值;根据巷道长度确定发射点数量,50 m布置1个发射点,共计10个发射点;10 m布置一个接收点,共计43个接收点;回风巷发射完后,调换发射接收巷道。现场布置图如图2所示。

3.2 矿井音频电透法

音频电透法是在一条巷道内某点发射,在另一条巷道对应点一定范围内接收。测点布置与坑透一致。测网密度要求供电点极距50 m、接收点极距10 m。在每个发射点对应的另一巷道扇形对称区间进行观测,确保测区内各单元有3次以上发射——接收射线覆盖,然后交换供电与接收的巷道。

4 探测成果分析

4.1 矿井坑透法探测成果分析

图3为无线电波透视仪实测场强分布图,其中蓝色调区颜色越深表明其场强值越低,即该段煤层无线电波穿透能力低,为潜在的构造异常区。

图2 测点布置图Fig.2 Layout of testing points

图3 矿用无线电波透视仪实测场强分布图Fig.3 Distribution diagram of the measured field strength with radio wave perspective instrument in mines

经过后期1年多的时间里对切眼空巷情况跟踪回访,将切眼推进过程中揭露的空巷空区等情况做记录,结合相关地质资料,绘制出工作面切眼以里300 m范围内空区空巷的范围示意图,如图4所示。图中显示揭露10条空巷及6个采空区。分别命名为空巷1—空巷10,空区1—空区6。

图4 工作面内空区空巷范围示意图Fig.4 Range of empty areas and empty roadways in the working face

结合坑透结果中0 m～300 m范围内圈定的8处异常区域,在空区空巷范围示意图中均能找到相应的位置:1)异常1对应区域为空区空巷图中的空巷1,因此推断异常1为空巷1影响所致;2)异常2对应区域为空巷2、空巷3以及空区1,因此推断为这3处空区空巷共同影响所致;3)异常3对应区域为空巷4、空巷5以及空区2,因此推断为这3处空区空巷共同影响所致;4)同样推理,异常4为空巷6与空巷7共同影响的结果;5)异常5为空巷6、空巷7与空区3共同影响的结果;6)异常6为空巷8和空区4共同影响所致; 7)异常7为空巷8、空巷9和空区共同影响所致;8)异常8为空区6影响所致。

4.2 音频电透法探测成果分析

图5为音频电透视法探测平面图,不同颜色色标表示电阻率的大小,其中蓝色表示高电导率值,反映了整个1301工作面区域内部、顶底板空间电阻率融合到同一个层位的平面分布特征,间接反映出整个工作面空间融合到同一层位的岩层含水情况。

图5 音频电透探测成果图Fig.5 Results of audio-frequency perspective electric exploration

探测结果中从切眼400 m处至150 m之间共有4处高导异常。其中异常4、异常3和异常1与巷道掘进过程中实际出水情况吻合较好,1201巷道在170m处时打钻钻孔有出水,出水量约3 m3～5 m3;201 m～220 m之间钻孔有出水,出水量约3 m3;切眼87 m处巷道出水较大,出水量约40 m3～50 m3;异常2处虽然工作面内部没有出水,但是该区域内巷道外侧为岳南煤矿采空区,采空区内有大面积的积水,积水量约为200 m3。

5 结论

矿井坑透法对采空区的反应较为明显,在探测复采区域采空区上相对其他物探方法具有较为明显的优势,尤其对大面积的采空区域反应更加明显,在探测深度上存在精度偏低等的缺陷。矿井音频电透法能有效识别探测区域内地质信息,对低阻体反应灵敏且抗干扰能力强,在探测复采区域顶底板及内部富水情况时比其他物探手段更为可靠。复采区域内采空区与矿井水害之间没有必然的联系,很难通过单一的手段去同时解决这两个问题,因此通过两种或两种以上综合物探手段对复采区域进行探测,能够在很大程度上对采空区、矿井水害等地质灾害同时进行预报,排除生产过程中的隐患,为矿井安全生产提供科学有效的依据。

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