张喜生

（山西晋汾新天综合服务有限责任公司， 山西 吕梁 032300）

煤炭开采受到通风、开采设备、地质条件、瓦斯等多种因素制约，其中地质条件对煤炭开采效率以及产量等影响较为显著[1-2]。同时随着矿井采掘深度增加，煤炭开采时受不良地质条件影响更为显著，采空区、陷落柱、断层以及褶曲等地质构造均会影响煤炭安全高效回采[3-5]。山西某矿开采煤田地质构造复杂，现阶段主要回采7 号煤层，煤层上覆5 号煤层已回采完毕且局部标高较低位置可能有一定积水，在以往煤炭开采过程中揭露有多个陷落柱、断层等地质构造。若采掘作业面在积水采空区下方开展时，会给采掘安全带来较大影响，而断层、陷落柱等是较为良好的构造通道，为确保井下采掘作业安全，需要采取必要的探测措施对采掘工作面前方地质构造探测，从而为采掘工作安全开展提供指导。为此，该矿在7 号煤层开采期间综合采用瞬变电磁法以及无线电坑透技术方法对煤层顶板积水区以及未开采区地质构造进行探测，探测成果为煤炭安全回采提供了一定指导。

1 工程地质条件

山西某矿井田开采范围内含煤地层主要为太原组、山西组，可采煤层包括有2 号、3 号、5 号、7 号以及11 号等，现阶段浅部的2 号、3 号、5 号等煤层基本回采完毕，生产主要集中在7 号、11 号煤层。5 号煤层与7 号煤层层间距介于2.6～7.2 m，岩层岩性以粉砂岩、砂质泥岩以及泥岩为主，5 号煤层采空区内积水会直接随着7 号煤层顶板裂隙向回采空间内涌入。7 号煤层开采时如何避免上覆5 号煤层采空区积水向回采空间涌出是需要重点解决的问题。矿井井田位于一向斜背面，地层倾角介于5°～10°，开采范围内断层构造不发育，根据采面以及回采巷道掘进揭露资料显示，井田开采范围内已揭露超过106 个陷落柱发育，陷落柱分布形态不规则，会给采面正常回采带来制约。为此，矿井综合采用瞬变电磁法以及无线电坑透技术对开采范围内潜在构造进行探测。

2 物探技术应用

2.1 物探技术特点

2.1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是通过电极（接地线源）或不接地回线向探测区域发送一次脉冲磁场，在一次磁场间隙采用电极（接地线源）或线圈对产生的二次涡流场进行观测，通过分析二次涡流场特征实现探测区域内地质构造探测。当超前探测区域内存在有陷落柱、裂隙带以及断层等构造且构造不含水时，则构造区局部视电阻率会明显增高；若构造区含水则构造区局部视电阻率明显降低[6-8]。

2.1.2 无线电探测

无线电探测技术原理见下页图1 所示，发射点发出无线电磁波，在探测区域内传播时不同岩层或者岩体对电磁波吸收各不相同，其中低阻岩体对电磁波有较强的吸收作用，当电磁波传播方向存在有破碎带、断裂等构造时，在构造界面反射、折射等影响下也会导致电磁波出现能量损失。因此，通过分析接收到的电磁波信号强弱即可实现探测区内地质构造解释及判定。

图1 无线电探测技术原理示意图

2.2 物探现场应用

2.2.1 煤层顶板采空区技术探测

在30702 工作面采用对采面顶板采空区积水区进行探测。30702 工作面设计走向长869 m、倾向长150 m，开采7 号煤层，煤层倾角2°～8°。7 号煤层顶板为泥岩，厚度2.56～6.27 m；底板为砂质泥岩，厚度0.3～8.9 m，裂隙发育。对30702 工作面回采巷道掘进产生影响的因素为上覆7 号煤层采空区积水。在采面回采巷道掘进迎头进行观测，迎头布置的瞬变电磁探测按照扇形布置，在掘进方向、向上30°两个方向进行探测，具体探测成果见图2 所示。

图2 瞬变电磁探测成果图（Ω·m）

根据探测结果看出，在30702 工作面西顺槽掘进面前方存在有低阻异常区，与掘进迎头间隔在40～100m。结合已有资料分析，该区域为7 号煤层采空区局部积水区。后采用钻探方式对该异常区进行探测并疏排，从而降低了煤层顶板局部积水给巷道掘进影响。

2.2.2 隐伏构造探测

在30702 工作面采用无线电探测技术对开采范围内潜在的隐伏地质构造进行探测。在探测期间将探测系统分别置于采面两顺槽内，通过回风巷向采面内发射电磁波，在运输巷接收电磁波并进行分析，根据接收电磁波分布情况可实现采面内隐伏构造探测。具体探测结果见图3 所示。

图3 无线电探测成果图

从探测看出，在采面探测范围内存在有2 个陷落柱构造异常区（编号分别为X1、X2）以及1 个地质探测异常区（编号YC1）。X1 陷落柱构造异常区位于靠近回风巷编号101—105 区间，该异常区内场强低于40（db）、衰减系数超过0.4。根据场强以及衰减系数实测结果，该异常区为陷落柱，同时采面回风巷掘进期间已揭露该陷落柱边缘。综合分析，X1 陷落柱短轴、长轴分别为44 m、58 m，在采面内延伸距离最大为58 m。X2 陷落柱靠近运输巷，位于运输巷编号95—103 区间，该异常区内场强低于35（db）、衰减系数超过0.5，该陷落柱短轴、长轴分别为50 m、83 m。

YC1 异常区处于回风巷编号46—55 范围内，该遗产区分布范围较大，场强在60（db）以下、衰减系数接近0.3，异常区长、宽分别约为125 m、84 m。通过对异常区分析，判定该异常区主要为煤厚或者煤层倾角变化区。

矿井在后续开采过程中采用钻探方式水确定的异常区进行探测，钻孔探测结果与物探结果一致。采面在回采过异常区前提前采区针对性措施，避免盲目揭露陷落柱而影响煤炭正常生产。

3 结语

物探具有探测范围广、施工便捷等优点，山西某矿综合采用瞬变电磁法以及无线电探测技术方法对开采的7 号煤层顶板积水区以及回采范围内隐伏构造进行探测。结果表明，采用物探技术可较为精确的确定采面开采范围内富水区以及构造范围，后提前采取疏排水或者钻孔注浆等方式对积水区以及构造区进行治理，可在一定程度上提高矿井煤炭开采安全保障能力。