综合物探在采煤工作面构造及富水性探查中应用分析

2023-09-11李世斌

当代化工研究 2023年16期

＊李世斌

（山西焦煤汾西矿业集团高阳煤矿山西 032306）

对于采煤工作面来说，一旦受到了区域断层的影响，整个工作面的走向就会形成切斜状的背斜构造，这对煤炭回采会产生比较大的影响。而且如果采煤工作面的构造中含水层比较多，那么也会影响煤炭回采的效果。所以就要对煤炭工作面的构造以及富水性情况进行探测，在探测过程中，可以采用综合物探技术，利用瞬变电磁法、音频电透视法等方法，对其进行综合探测，保证探测效果得到提升。

1.采煤工作面地质情况

为了能够保证煤炭采集更高效，大部分的采煤工作面都处于三采区，属于野青解放层采煤工作面，工作面的高程是在-495m到-545m之一区域内。在采煤整个工作面中，煤层是属于石炭系太原组底层，其稳定度比较高，而且内部的煤层厚度大概在1.2～1.6m之间。对于工作面顶板来说，其属于野青石灰岩类型，砂质属于泥岩，而工作面的底板则是由细砂岩和粉砂岩这两种土质组成。在进行巷道掘进施工时，在采煤工作面中发现了38条正断层，其断距大约为0.2～4m，一旦断距超过了1m，那么就会对工作面回采工作产生影响。而在采煤工作面中，含水层主要是包括石灰岩、大青灰岩、野青灰岩、岩溶缝隙等类型的含水层[1]。采煤工作面也存在积水采空区，积水的水位大约是在-454m左右，其积水的水量则是在2600m3，尤其是在工作面进行回采之后，工作面顶板的裂缝中就可能会出现滴淋水，对采煤产生影响。

2.综合物探技术

（1）矿井瞬变电磁法。对于矿井瞬变电磁法来说，其是综合物探技术中的一个主要探测方法，这一方法在进行探测的时候主要是以磁源作为激励场源，这样才能激发出可以向介质传播的一种瞬变电磁场，这种电磁场也就是一次脉冲磁场。在一次脉冲磁场运行过程中，会出现间隙情况，在间歇时接收到介质，就会引起二次感应涡流场，这一磁场就可以更好地对地下介质的电阻率情况进行探测。由于矿井瞬变电磁技术对低阻体相对比较敏感，而且探测的距离比较远，探测方向比较准确，所以在对采煤工作面的构造和富水情况进行探测的时候，就会采用这一技术，可以更好地了解工作面的结构以及含水现象，为后续的回采提供数据基础。

（2）音频电透视法。音频电透视方法在应用的时候，需要先建立全空间电场，然后对全空间电场在采用工作面内部的分布情况进行观测，进而可以全面掌握工作面内部的地质信息，这也是一种物探方法。在进行施工时，需要在工作面的巷道中，先建立人工场源，然后在另一条巷道所对应的扇形区域内进行信息接收，把工作面中的含水构造模拟成局部低阻良导电的异常体，并且通过分析全空间电场的分布情况，来探测到异常体内的一些特征。在探测的过程中，由于低阻体可以吸收电流，所以工作面内的含水构造就会显示出高电导率的特点。在利用音频电透视法进行探测的时候，如果工作面的地层垂向结构相同，横向也比较均衡，那么在探测结果中，电导率数值越高，异常的幅度越大，也就说明工作面的含水性越强[2]。

（3）无线电波透视技术。在采用无线电波透视技术进行工作面构造及富水性探测的时候，其主要的原理就是根据电磁波的电阻率和介电常数，了解工作面内部地质的异常现象。主要是让电磁波在煤层中进行传播，传播的时候其电阻率和介电常数就存在了差异性，对电磁波的吸收也就不同，根据电磁波吸收状况，就可以对独一工作面的地质异常现象进行探测。在正常情况下，此技术是需要在工作面顺煤层的两个巷道内进行，其中煤层中的一些断层、破碎带以及富含水区等构造，都能对电磁波进行折射、反射或者是吸收，这样就造成电磁波能量出现损耗，根据损耗情况就会形成透视阴影的异常区域。在探测的时候，如果工作面内存在地质异常体，那么其衰减系数就比较大，如果不存在异常体，那么其衰减系数就比较小，故可以根据衰减系数，来探测工作面内是否存在异常现象，保证探测更加全面。

（4）并行电法。并行电法主要是一种直流电数据的采集方法，是基于高密度的电阻率方法所形成的，并行则是在发射电极进行供电时，对电位差信息进行测试，是一种直流电数据采集的方式。这种方法可以保证在采集数据时，电极不会出现闲置，提升工作效率，而且数据采集的效果也比较好。对于并行电法来说，其主要分为AM法以及ABM法，在相同的时间内，AM法所采集的数据是串行数据采集的(s-1)(s+3)/3倍，而采用ABM法进行采集的数据，则是串行数据采集的(s-2)(s-3)/2倍，其中S主要指的是电极数。在采集的时候，并行电法可以掌握自然场、一次场以及二次场的信息，并且通过计算，得出电场、电阻率等方面的信息，让采集的数据更加丰富。并行电法在进行数据采集的时候，其具有同时性以及瞬时性，可以在供电时得到全部的电位曲线数据，让数据采集更加真实，保证可以全面了解采煤工作面的构造以及富水性的情况。

3.采煤工作面构造及富水性的综合物探操作

（1）矿井瞬变电磁的具体探测及结果。采用综合物探的方法，可以对采煤工作面构造进行综合的探测，可以采用瞬变电磁和无线电波透视两种方法进行综合的探测。在综合物探中，矿井瞬变电磁的应用，就是根据多条小线框来发射电磁场的方向性，并且在探测中，认为线框的平面法线方向就是瞬变电磁的具体探测方向[3]。在采煤工作面进行实际运用的时候，主要是在工作面的上下顺槽以及切巷等区域内布置相关的测点，测点之间的距离要控制在10m，一个完整的工作面中，可以设置120个左右的测点。在探测时，主要是以顺工作面的煤层作为探测的基准，并且在底板方向，对几个重点区域进行探测，主要是以发散的形式进行探测，让整个探测更加全面。在进行探测的时候，仪器也要选择YCS1024瞬变电磁仪，这一设备的边长为1.5m，是一种正方形的重叠回线探测设备，能够保证探测效果更好。

在探测结束之后，可以对采集到的数据进行去噪处理，计算出电阻率，然后开展时深转换处理方法，通过转换可以得到瞬变电磁探测的深度数据。此外，也要尽量提取和工作面比较近的含水层，这部分区域一般是伏青层，底板下放的深度为26m，对这一区域的电阻率开展瞬变电磁探测方法，建立基础的坐标系，然后绘制出探测岩层的切片效果。根据具体的数据可以了解到，视电阻率的分布相对比较均匀，而且并没有发现明显的低阻情况，通过这一探测结果就可以了解到这一岩层的整体富水性是比较弱的。而且在回采之后，所了解的情况和探测的结果是相符合的，都没有发现底板出现出水情况，其富水性比较弱。

（2）无线电波透视探测技术。在采用无线电波透视方法进行采煤工作面构造探测的时候，主要采用的是分辨率相对比较高的定点方法，也就是保证发射机是相对固定的，接收机则是在另一个相对应的巷道范围内，注意接受发射机所发射的相关数值。在实际采煤工作面中，无线电波透视工作主要是在上下顺槽之间的区域进行的，其中上顺槽需要布置40个测试点，而下顺槽则需要布置41个测试点，在接收点位布置的时候，每一点位之间的距离需要控制在10m左右，而在布置发射点的时候，其每一点位之间的距离需要控制在50m。其中1个发射点需要对应11个接收点。所以在采用无线电波透视探测技术对工作面构造进行探测的时候，就需要布置16个发射点，同时对应布置83个接收测点。在进行透视探测的过程中，也要选择WKT-E类型的无线电波透视仪，为了能够保证数据采集的质量得到提升，所以在开展透视工作之前，需要先对其进行频率的试验，可以在构造相对简单的区域进行，测试的频率数是稳定的之后，才能进行深入的探测[4]。

在探测结束之后，就要对探测出来的具体结果进行分析，经过无线电波透视探测技术，采煤工作面现场的强衰减系数是在0.25～0.42之间，而且工作面整体的衰减系数是不均匀的，这就说明工作面内构造较发育，而且异常区的衰减系数大于0.36。经过探测发现，在采煤工作面内有一个异常区，其位于下顺槽区域，异常的规模比较大，把探测的数据和地质资料结合起来分析，发生这一异常区的主要原因是下顺槽揭露的断层逐渐向工作面内进行延伸，一直延伸到隐伏断层中，而且隐伏小断层也是造成衰减的主要原因。在工作面切巷50m的范围内，具有多条小断层，但是由于其受到贯通巷道的影响，所以接受场的数值比较大。在进行无线电波透视探测之后，受到了探测频率以及透视方法的影响，其垂直的工作面走向断层的探测效果是比较差的。为了能够提升探测水平，那么就可以结合瞬变电磁探测方法，实现综合物探效果，让工作面的探测更准确。

（3）音频电透视工作面含水构造。在对采煤工作面的地质进行勘测之后了解到，大部分采煤工作面的顶板上方是由粗砂岩、中砂岩以及细砂岩等多层含水层组成的。在工作面进行回采时，工作面顶板的含水层就会成为工作面的直接冲水含水层，由于工作面在进行巷道掘进工作的时候，会揭露断层构造，这就会导致工作面顶板砂岩裂隙的富水是不均匀的，对矿井的安全开采造成了影响。在这一状况下，就可以利用音频电透视的方法，来对工作面的含水构造进行探测，利用此方法在工作面的回风巷发射音频信号，然后在运输巷接收信号，并且在探测的时候，可以采用平行单级-偶级的测量设备，发射可以采用低频或者是高频发射，低频发射控制在15Hz左右，高频发射控制在120Hz左右，在间隔50m的距离设置一个发射点，在另一个巷道中，间隔10m的距离设置一个接收点，保证发射、接收是同步的，进而来测量工作面内部含水构造的情况。

在对工作面的含水构造进行音频探测之后，其探测的结果主要包括3个地方的异常，第一个异常是分布在运输巷一侧400m左右的范围，以及回风巷240～360m的局部区域中，如果异常情况较小，而且远离切眼，那么就会随着深度的增加而消失，其他的异常区域都是随着探测的深入都增大。当异常范围在逐渐减小时，异常的强度也在逐渐减弱，而且异常上下都具有连接贯通的关系。第二个异常点位是分布运输港一侧760m左右的范围，以及回风巷750～830m的局部区域中，异常范围是比较小的。第三个异常点则是分布在运输港一侧1440m左右的范围，以及回风巷1600～1800m的局部区域中，随着探测的深度在不断增加，异常的范围也在逐渐减小，异常的衰减强度也在降低。通过采用音频电透视方法对工作面的含水构造进行分析，探测相对比较准确，可以了解到不同异常区域的范围，增强对工作面构造的了解程度[5]。

（4）并行电法探测方案及结果分析。在运用并行电法进行探测的时候，主要是在工作面的回风顺槽顶板以及运输顺槽的顶板位置，分别布置一条测线，在布置的过程中，电极之间的间距需要控制在10m左右的距离，同时测线的长度要和采煤工作面的实际相吻合。在正常情况下，会设置3条长度为800m的测线，测线的总长度大约在2400m，保证对采煤工作面的构造进行全方位探测。