层透视法在探测采煤工作面内部地质构造的应用

王联合

(陕煤彬长矿业集团公司,陕西省咸阳市,712000)

★煤炭科技·地质与勘探★

层透视法在探测采煤工作面内部地质构造的应用

王联合

(陕煤彬长矿业集团公司,陕西省咸阳市,712000)

介绍了矿井层透视法的探测原理、井下探测技术及根据电场的分布规律,使用地电成像方法计算出工作面内部的视电阻或视电阻率的分布规律,在工作面范围得到所需要的探测结果。通过在陕煤黄陵矿业公司的成功应用对矿井层透视法进行了详细阐述。

层透视法 内部地质构造 正演曲线 探查 应用

1 引言

长期以来,不能清楚探明煤矿工作面内部的地质构造情况严重影响综合机械化采煤的效率、产量、煤质、经济效益等,迫切需要新手段、新技术觖这些问题。目前,已经发展的矿井物探方法较多,如弹性波CT法、瑞利波法、矿井地质雷达法、矿井直流电法、矿井音频电透视法、无线电波坑道透视法等。这些方法都有自己的特长,并取得了一些成功的应用成果。但随着综采机械化的广泛采用,采长较大的工作面(大于200 m)越来越多,构造越来越复杂,上述方法已难以适应当前生产任务要求,因此特别需要能探测较宽工作面内部地质构造的新的物探方法。层透视技术在此方面做了一些成功的尝试。

2 层透视方法原理

2.1 探测原理

层透视法是矿井直流电法的一个分支,属于全空间电法勘探,研究沿工作面煤层层面方向上地层电性变化的特征,而获得地质信息的一种物探方法。它以岩石的电性差异为基础,在全空间条件下建场,使用全空间电场理论处理和解释有关矿井地质问题。

图1 井下探测装置布置示意图

在采煤工作面某一巷道的顶底板分别布置供电电极(A、B)建立特定直流电场,井下探测装置布置示意图见图1,该电场的电流线在煤层附近近似垂直于煤层层面,煤层中的等电位面近似平行于煤层平面,使用测量电极(M、N)顺电流线布置(垂直于煤层平面),置于工作面另一巷道的煤层上下界面附近测量该电场的电位差。这样所测得M、N两电极之间的电位差正好对应于工作面煤层内部的影响,因此所测结果包含了该工作面煤层内部的地质信息。

2.2 井下探测技术

该技术所采用的井下施工技术为偶极-偶极直流电法探测装置。工作面层透视法探测原理示意图见图2。在测量过程中相对固定供电电极A、B,在另一巷道移动测量电极M、N,在AB-MN最短距离处为中轴线的两侧呈扇形扫描测量。每移动一次MN,测一组参数(发射点号及坐标、接收点号及坐标、MN间的电位差、供电电流I、MN之间间距)。测量电极分别置于不同的观测点做扇形扫描测量,测量完毕后移动供电电极(AB)至下一设计供电点,重复以上步骤,直到测量完所有设计的观测点。然后交换AB、MN的位置按上述步骤重复测量。

图2 工作面层透视法探测原理示意图

2.3 解释方法

根据电场的分布规律,使用地电成像方法计算出工作面内部的视电阻或视电阻率的分布规律,展现在工作面范围内便得到所需要的探测结果。

2.3.1 计算公式

式中:ΔUMN——测量电极M、N之间的电位差, mV;

I——供电电流,mA;

LAM——供电电极A与测量电极M之间直线距离,m;

LAN——供电电极A与测量电极N之间直线距离,m;

LBM——供电电极B与测量电极M之间直线距离,m;

LBN——供电电极B与测量电极N之间直线距离,m。

2.3.2 平面成图方法

一般借助于电位测量确定视电阻率的变化,视电阻率的变化取决于地层的非均匀性。将此非均匀性按一定规则用平面图表现出来,就是该工作面地电成像平面结果。

3 正演曲线及其特点

在三层地电条件下的地电模型见图3,ρ1为60 Ωm,ρ2为600Ωm,ρ3为60Ωm(ρ为电阻率),煤厚h为5 m,工作面宽L为300 m时,其视电阻率理论曲线如图4(纵坐标为视电阻率,横坐标为沿巷道测量的测点坐标)。

4 应用

4.1 概况

黄陵一号煤矿系陕西陕煤黄陵矿业公司所属现代化矿井,主采延安组2#煤层。601综采工作面是六采区首采面,走向长3000 m,采长200 m。在回采至887 m时,工作面内煤层突然缺失,成为岩石地段,回采前方还有多长无煤段未知,严重影响了综采机械化生产效率。

为确保601工作面安全生产,公司先后组织有关专家进行了一系列分析论证,决定采取主动探测,物探、钻探、巷探一起上的策略,探明前方无煤段的分布范围,及时恢复生产,保证回采安全。因无线电波坑透法不能透过该工作面,选用了层透视法,探测工作面前方200～800 m范围内无煤带地质构造的平面分布规律。

4.2 工作区地质概况

井田内中生界地层发育。北部地层出露很少,属掩盖区。南部沿河、沟、谷出露,属半掩盖区。由老至新有上三迭统延长群、下侏罗统富县组、中下侏罗统延安组、中侏罗统直罗组、中侏罗统安定组、下白垩统志丹群、新第三系及第四系地层。

其中,中下侏罗统延安组(J1Y)为井田内含煤地层,与下伏延长群、富县组假整合接触。一般厚度为114 m,北厚南薄,西厚东薄,北河寨以北厚度大于120 m,以南小于100 m,向斜轴部大于80 m,背斜轴部一般50～70 m,西峪-南峪口无煤区厚度仅30 m左右。

岩性为黑、灰黑色泥岩与灰、灰白色粉砂岩,细砂岩互层。含煤4层,自上而下分别为0#、1#、2#、3#煤层。主要可采煤层为2#煤层,位于本组底部。

井下巷道内落差在1～2 m小型错动较多。虽然本井田构造简单、断层稀少,但影响掘进和回采的小型错动亦不少。

本测区内地层平缓,走向北东东,倾向北北西,倾角2～5°,属构造简单、断裂稀少的单斜构造。

4.3 地球物理特征

本次勘探的目的层为2#煤层附近地层——中下侏罗统延安组。主要为粗砂岩,细砂岩,泥质粉砂岩,灰、灰白色粉砂岩,细粉砂岩,灰黑、黑色泥岩,粉—细粉砂岩,粉砂岩、细粉砂岩与灰黑色泥岩、砂质泥岩互层,下部含0#、1#、2#、3#煤层,其中,2#煤层属变质程度不高的肥气煤,电阻较高,电阻率一般为100～500Ωm左右。在地层没有被破坏的情况下,电阻率曲线呈现由低到高变化。而当地层由构造或采动破坏而充水的情况下,电阻率曲线将发生明显的异常变化。

从电性上来分析不同岩性的地层,其一般规律为:煤层电阻率值相对较高,砂岩次之,粘土岩类最低,即泥岩、粘土岩、粉砂岩等与煤层的导电性差异明显。这种变化特征的存在,为以导电性差异为应用基础的直流电法探测技术提供了良好的地球物理前提。

4.4 层透视法探测结果

(1)布置。601工作面(局部)层透视法视电阻率低阻异常平面示意图见图5。该工作面在宽200 m、长600 m的范围内探测了两次,分别在601回风巷、运输巷各布置60个测点,测量点距均为10 m,供电点间距50 m。

图5 601工作面(局部)层透视法视电阻率低阻异常平面示意图

(2)测量方法。分别将两供电电极A、B置于工作面回风巷及测量电极M、N置于工作面运输巷的顶底板上,在测量过程中先相对固定A、B,在另一巷道移动M、N,呈扇形扫描测量。本次测点分布于以AB与MN连线垂直于巷道的轴线两侧各10个测点(共计21个)。测量参数为MN间的电位差、供电电流、MN间间距及其各点的平面坐标。测量完毕后,移动AB至下一设计供电点(供电点间距50 m),重复以上步骤,直到整个工作面测量完成。

然后将AB、MN交换巷道,分别将AB置于工作面运输巷,MN置于工作面回风巷,再按上述步骤重复测量,至测量完整个工作面为止。

(3)物探解释结果。根据采煤工作面的地质构造性质与电性反映的对应关系进行物探-地质综合解释。一般情况下,煤层缺失带(砂岩层充填)呈低阻反映。

图5为该工作面视电阻率低阻异常平面图,在工作面走向600 m范围内,发现2个主要异常区,第一个异常区异常较大(一级异常),位于890 m～1150 m之间,距工作面沿走向方向掘进工作起960 m方向延伸,往新切眼A中部方向延伸。其中,靠近进风巷一侧异常幅度较大。该异常区沿工作面走向长约260 m,沿垂直于工作面走向方向最宽约180 m、最窄约50 m,推断该异常区内煤层可能完全缺失引起的异常及范围较大。

第二个异常区异常较小(二级异常),在1150～1310 m附近,异常幅值相对较小且不连续,推断该异常区内煤层基本连续但存在局部变薄现象。

(4)验证。当新切眼A掘进至第一个物探异常区时,发现煤层缺失,矿方只好放弃掘进;将新开切眼位置移到新切眼B处,当掘进至第二个物探异常区时,发现物探异常区内的煤层由原来的2.6 m变薄为1.5 m左右,且局部顶板含水,与物探结果吻合。从而顺利完成了新开切眼的任务,及时恢复了生产。

5 结论

层透视法在探测采煤工作面内部的煤层缺失带分布规律、含水断层、高水压导水突水灾害性地质构造等方面有推广应用价值,能为煤矿采煤工作面安全生产提供有价值的地质资料。

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(责任编辑 张艳华)

Probing into inner geological structure of coal faces by use of seam penetration

WangLianhe
(BinchangMine-Area Group Co.,Ltd.,Shaanxi Coal&Chemical Industry Group, Xianyang,Shaanxi province 712000,China)

The paper describes the principle of seam penetration and use of this technique in underground detecting,and theway of calculating the pattern of apparent resistance(or resistivity)distribution inside coal faces using geoelectric imaging in accordance with the pattern of electric field distribution. When applied in the face area,itwillproduce results that are desired.A case studyon the successful use of this technique at Huangling Mining groupis presentedtoillustratethetechnique ofseam penetration.

seam penetration,inner geological structure,for ward curve,detect,apply

TD163.1

B

王联合(1967-),男,陕西省铜川人,毕业于华东地质学院物探专业,现在陕西陕煤彬长矿业集团公司从事技术管理工作。