马 健

（晋能控股煤业集团地煤精通兴旺煤业有限公司， 山西 大同 037001）

1 煤矿陷落柱概述

煤矿陷落柱是煤田地区下伏石灰岩中岩溶经过不断发育以及在自身重力的作用下，覆岩逐渐塌陷产生的堆积物。其相关特性取决于煤田的实际地质特征，陷落柱的存在限制了煤矿的开采效率，威胁着工作人员的生产安全。

陷落柱的形成大都取决于煤田灰岩的情况，由于陷落柱是通过不断堆积形成的，其内部构造较为复杂并且质地十分松软。在不断塌陷的过程中，底层沉积层序发生了较大的变化，因此陷落柱的特征往往与周边围岩的特征相差较大。

当前，绝大多数煤矿采用物探的方式对陷落柱进行探测。杨德义[1]等人提出一种通过分析地震绕线波特征进行陷落柱探测的方案，以断陷点为目标进行识别；吴守华[2]等人提出通过对地震剖面进行分析研究，根据不同情况下地震响应特征间的差异，实现了高准确率的陷落柱识别。

众多学者采取不同的物探思路对陷落柱特征进行探测。物探技术自身存在一定的缺陷，并且仅依靠物探技术所得的探测结果未进行检验，可能同实际情况存在一定的偏差，造成探测准确度下降，给矿井的安全生产埋下隐患。依照矿井防治水相关要求，陷落柱的探测应当采取物探、钻探相结合的方式进行。根据以上需求，本文以晋能控股煤业集团某矿为研究对象，通过采用不同的物探方式对矿井工作面陷落柱进行特征探测，再加以钻探技术进行验证，提升矿井生产过程中的安全性。

2 工程面情况及探测技术

2.1 工作面情况

晋能控股煤业集团某矿6102 工作面长度为550m，宽度为105 m，煤层倾角为7°，煤层储量较大，煤层均厚为9.82 m，整体结构较为稳定，巷道掘进的初期并无异常出现，地质结构较为稳定。但是当掘进至工作面75～85 m 之间时，巷道侧帮出现了一定量的水流，随着掘进的深入，顶板处也出现了一定的淋水，且流量逐渐增大，最大出水量达到了6 m3/h。为了确保矿井后续生产的安全性，对该异常区域采用瞬变电磁以及无线电波透视技术相结合的方式进行探测分析，并通过钻探的方式对物探结果进行检验。

2.2 探测技术

2.2.1 瞬变电磁技术

瞬变电磁技术是一种根据电磁原理对地质异常区域进行探测的方法，其优势在于探测过程中无需通过外接线路或者接地线向地质异常区域发射一次脉冲磁场，而是通过一次脉冲磁场间歇期间产生的二次感应涡流场，对被测岩层的电阻变化率特征进行分析，根据电阻变化率特征的不同得出被测岩层的具体构造特点。瞬变电磁探测原理如图1 所示。

图1 瞬变电磁探测原理图

在一次脉冲磁场间歇期间产生的涡流场和被测岩层的电阻率特性间有着紧密联系，此外，同种岩层的电阻率也存在一定差异，电阻率的大小往往同岩层的整体性成正比。所测岩层电阻率较高，则该区域的涡流场较弱；所测岩层电阻率较低，则该区域的涡流场较强。根据探测所得涡流场大小对被测岩层的电阻率进行判断，将求得的被测岩层的电阻率特征进行分析求解，得出被测岩层的岩性、含水特征以及构造特征等。

为了确保瞬变电磁技术探测的准确性，该矿引进了一台YROTEMITEM-47 型瞬变电磁仪器，该型号瞬变电磁仪具有稳定性强、探测精度高以及环境适应性好等优势。

2.2.2 无线电波透视技术

无线电波透视技术是一种根据电磁波对地质异常区域进行探测的方法。该方式依靠仪器发射电磁波，电磁波在被测岩层传播过程中能量逐渐衰减，由于电磁波在不同岩层中的衰减特性有所差异，因此通过在工作面的不同巷道中分别放置电磁波信号的发射仪器以及接收器，确保整个工作面都能被CT 扫描覆盖，电磁波能量衰减异常处在图像中会呈现为阴影区域。因此根据探测图像阴影区域的分布确定异常区域的位置，并对相应区域进行富水特性分析。电磁波透视法工作原理如图2 所示。

图2 电磁波透视法工作原理

3 工作面陷落柱探测研究

3.1 无线电波透视技术研究

无线电波透视技术采用12～18 次定点覆盖测量的方式，相邻电磁波信号接收点间的距离为10 m，相邻电磁波信号发射点间的距离为20～60 m，电磁波信号的发射频率为0.6 MHz。根据信号接收结果不难发现，6102 工作面迎头处探测出一处异常区域。衰减值在-14～-39 dB 间，6102 工作面无线电波透视法场强曲线如图3 所示。

图3 6102 工作面无线电波透视法场强曲线

根据图3 不难发现，图3-1 中曲线为“V”字形，“V”字形曲线表示整个接收点的信号都受到异常区域的影响；图3-2 为“半坡”形，“半坡”形曲线表示一侧接收点信号受到异常区域影响。图3-3 中曲线为常规曲线，说明该区域无异常区域；图3-4 中曲线为“小V”形，并且场强均值较小，经研究得出结论是由于接收点周围岩层电阻率较低造成的。由此可见，异常区域靠近机巷区域，通过曲线分析法以及成像技术对成像情况进行分析可知，61021 巷道迎头75～105 m 区域内，距煤层顶板20 m 左右处存在陷落柱异常区域，通过采取相应的措施，确保了工作面的顺利回采，并且根据回采结果，验证了探测结果的准确性。

根据无线电波透视法对6102 工作面陷落柱的探测结果可知，中心衰减值在-32～-39 dB 之间，陷落柱的衰减速度大幅增加。由于6102 工作面陷落柱处于工作面中间区域，因此探测结果较为可靠。根据图3 所示场强曲线间的差异可知，造成曲线差异的原因是接收点和发射点同陷落柱之间位置存在差异，远离陷落柱场强曲线呈现出“V”字形，靠近陷落柱场强曲线为常规曲线。

3.2 瞬变电磁探测技术研究

瞬变电磁技术探测的测点位于工作面61021 巷以及61022 巷之间的工作面切眼处，使用2 m×2 m重合回线，探测方向示意图如图4 所示，探测数据图如图5 所示。

图4 探测方向示意图

图5 探测数据图

根据图5 探测数据图不难发现，勘探体呈拱形体。由于瞬变电磁属于全空间响应，其实际勘探体积是以回线为对称的拱形，探测初期，探测深度较浅，电性变化率较低；随着探测深度的增加，探测区域面积也不断增大，电性变化率逐渐提升。通过探测数据可知，距开切眼水平距离52 m 左右处，发现一处深度20 m 左右的电阻率异常区域。

4 钻探验证

通过钻探的方式对物探结果进行验证，在工作面依次设置3 个钻孔。3 号钻孔钻进深度为37 m 及58 m时，依次出水4 m3/h 及22 m3/h；2 号钻孔钻进深度为42 m 时，出水8.6 m3/h；1 号钻孔在钻进深度18.9～38.7 m 时不断出水，出水最大值为26.8 m3/h。无线电波透视异常区的陷落柱已经通过工作面回采的情况加以验证，根据钻探出水情况可知，陷落柱周围存在富水区。通过钻探回采的方式验证了物探结果的准确性和可靠性，对确保矿井开采过程的安全有着重要意义。

5 结论

1）通过无线电波透视数据分析结果可知，在61021巷距巷道迎头处75～105 m 范围内，煤层中大约20 m处发现一个陷落柱异常区域。

2）通过瞬变电磁数据分析结果可知，在距开切眼水平距离52 m 左右处，存在一个发育深度约为20 m的电阻率异常区域。

3）采用钻探的方式对物探结果进行了检验，确保工作面回采过程的安全性。