井下综合物探在矿井防治水中的应用

靳吉祥

(西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030053)



·技术经验·

井下综合物探在矿井防治水中的应用

靳吉祥

(西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030053)

介绍了运用矿井瞬变电磁法及瑞雷波法对亚辰矿28103工作面切眼外帮小窑破坏区进行探测，圈定了富水异常区以及采空破坏范围，并进行了验证。说明综合物探技术在矿井运用可行，可以为矿井防治水提供可靠的依据。

矿井瞬变电磁法；瑞雷波法；富水异常；综合物探技术

西山亚辰煤业有限公司为西山煤电集团公司2009年兼并重组矿井，2010年9月19日离石市发生特大降水，造成亚辰矿周边多个矿井被淹，矿井南临的锦瑞煤业主井标高889 m以下全部淹没。亚辰煤业28103工作面单位涌水量最大达到100 m3/h，切眼处最低标高为773 m，与锦瑞煤业主井积水水位落差116 m，切眼外帮承受约11.8 MPa的压力。为查明28103工作面切眼外帮留设煤柱宽度、积水范围是否影响矿井安全生产，亚辰矿决定对28103工作面切眼外帮进行综合物探工作。

1 概 况

1.1 矿区地质概况

亚辰矿大地构造位置处于鄂尔多斯盆地的东部边缘，兴县～石楼南北向褶带中段东侧，总体上是1个向北西倾斜的单斜构造。在单斜构造上又发育有次级的褶曲构造。区域北部和南部次级构造一般幅度不大，表现不明显，单斜为主体构造。井田构造简单，总体上为一向北西倾斜的单斜构造，地层倾角为5°～10°.井田内未发现断层。

1.2 水文地质条件

矿井主要含水层有奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组(C3t)灰岩岩溶裂隙含水层、二叠系碎屑岩类砂岩裂隙含水层和第四系松散岩类孔隙含水层。

矿井主要隔水层本溪组底部为一套以泥岩和铁铝岩黏土岩为主的地层，夹有砂岩和石灰岩，该层分布普遍，厚度稳定，是太原组与下伏奥陶系灰岩之间的重要隔水层，隔水性好。

1.3 工作面概况

28103工作面位于西山亚辰煤业有限公司井田二盘区。该工作面开采8号煤层，平均煤厚3.3 m，顶板为石灰岩，平均2.5 m.工作面标高710～775 m，皮带巷和切眼已经形成，皮带巷走向长700 m，切眼长151 m，轨道巷未形成。巷道断面高约3.5 m，宽约4 m.工作面东邻28102工作面(已安装)，南邻井田矿界，西为实体煤。

2 井下综合物探在矿井防治水中的应用

2.1 工作原理

2.1.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法属于时间域电磁法。它利用不接地回线向采掘空间周围的煤岩体发射一次场，通过发射间歇测量煤岩体中电性不均匀体感应产生的二次场随时间的变化,来查明各种地质目标体[1].矿井中的富水区与围岩明显的电性差异为矿井瞬变电磁法的应用提供了地球物理前提，且在实际应用中取得了良好的效果[2-5].

2.1.2 瑞雷波法

瑞雷波勘探主要利用了瑞雷波的两种特性，一是瑞雷波在分层介质中传播时的频散特性; 二是瑞雷波传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。瑞雷波法依据激发震源不同可以分为稳态法和瞬态法。稳态法是通过人为改变震源的激振频率得到不同波长的瑞雷波在地层表层的传播速度。瞬态法是通过锤击、落重或者炸药震源，当锤子或落重在地层表层产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的瑞雷波，这些不同频率的瑞雷波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。目前，瑞雷波勘探技术已经广泛用于煤矿井下，对掘进巷道前方进行超前探测或者对巷道的顶板、底板以及巷道左右帮，一定范围内的煤层厚度、岩层厚度、断层、空洞、岩溶等地质构造进行探测和预报[6,7].

2.2 选用仪器及施工方法

2.2.1 矿井瞬变电磁法

选用仪器为福州华虹智能科技开发有限责任公司研制的YCS40型瞬变电磁测深仪。

施工方法：以28103工作面切眼和运输巷交点为0号点，点间距5 m布置测线，共计布置测点30个，顺层向切眼外帮进行探测，工程布置图见图1.

2.2.2 瑞雷波法

探测仪器选用西安煤炭科学研究院研制生产的YTR(D)瑞雷波探测仪，数据处理软件是专为YTR(D)

图1 工程布置图

瑞雷波探测仪配置的。瑞雷波探测的道间距△x应视施工现场场地大小来决定。本次探测根据施工现场条件限制决定选用△x=1 m，探测模式选用超前模式，见图2.

图2 瑞雷波探测示意图

瑞雷波探测共计布置6个测点，点间距25 m，向切眼外帮方向探测，具体见工程布置图(图1).

2.3 成果分析

2.3.1 矿井瞬变电磁法

在视电阻率断面图上，视电阻率更加直观，富水区域或含导水构造将呈现较深的颜色，可直观确定出相对低阻异常体的空间赋存情况和异常的强弱。28103工作面切眼外帮顺层探测视电阻率拟断面图见图3.

图3 28103工作面切眼外帮顺层探测视电阻率拟断面图

从图3可以看出，此次瞬变电磁勘探盲区约15 m.视电阻率值<2 Ω·m的区域圈定为富水异常区，2 Ω·m<视电阻率值<4 Ω·m的区域划分为弱富水异常区。

同时，从图3看出，横向0～15 m、横向18～21 m、横向28～75 m，横向83～92 m，为4个低阻区，距巷道切眼外帮最小垂距分别约为 18 m、15 m、18 m和28 m,视电阻率相对较小且与深部沟通，为4个富水异常区；横向85～135 m，距切眼外帮垂距为28 m，视电阻率值<4 Ω·m,为弱富水异常区。

2.3.2 瑞雷波法

瑞雷波数据处理软件是专为YTR(D)瑞雷波探测仪配置的。28103工作面切眼外帮共计布设瑞雷波测点6个，成果图见图4：

图4 28103工作面切眼外帮瑞雷波探测成果图

a) 通过观测图4a)的同相轴以及它的一致性，该成果图可以分为3个分层界面，分别位于28103切眼外帮向外11 m处、17 m处和38 m处。

b) 通过分析，图4b)可以分为3个分层界面，分别位于28103切眼外帮向外10 m处、20 m处和37 m处。

c) 图4c)可以分为2个分层界面，分别位于28103切眼外帮向外15 m处和40 m处。

d) 图4d)可以分为2个分层界面，分别位于28103切眼外帮向外20 m处和40 m处.

e) 图4e)可以分为1个分层界面，位于28103切眼外帮向外26 m 处.

f) 图4f)可以分为1个分层界面，位于28103切眼外帮向外27 m处.

通过对6个瑞雷波测点最近分层界面进行勾绘，推断出在28103工作面外帮深度10～27 m处有一明显界面，见图5.

图5 瑞雷波推测边界示意图

2.4 成果及验证

2.4.1 成 果

1) 通过瞬变电磁探测，在28103工作面切眼外帮方向圈定4个富水异常区，分别位于横向0～15 m、横向18～21 m、横向28～75 m，横向83～92 m，低阻区距巷道切眼外帮最小垂距分别约为18 m、15 m、18 m和28 m,视电阻率<2 Ω·m且与深部沟通；圈定1个弱富水异常区，位于横向85～135 m，距切眼外帮垂距为28 m，视电阻率值<4 Ω·m且与深部沟通。

2) 通过瑞雷波探测确定在28103巷道外帮深度10～27 m处有一明显界面，分析可能为留设煤柱边界。综合物探成果见图6.

结合两种物探方法得出，在28103工作面切眼外帮深度10～27 m处，有1个分层界面，推断为留设煤柱边界，煤柱边界以外为积水区。

图6 综合物探成果图

2.4.2 验 证

根据综合物探的成果，该矿通过实地调查，证实在28103工作面切眼外帮深度9～30 m有一巷道，巷道位置与探测结果基本吻合(见图7).

图7 实际验证图

3 结 论

1) 通过矿井瞬变电磁法确定了28103工作面切眼外帮富水情况。

2) 通过瑞雷波法确定了28103工作面切眼外帮留设煤柱宽度、积水范围。

把两种不同的物探方法结合起来用瑞雷波法预报采空边界、煤柱边界，用瞬变电磁法预报含水情况，实践证明对积水范围进行预报是可行的。这种方法能够有效地确定含水范围，为矿井防治水提供可靠的物探资料，从而指导煤矿安全生产。

[1] 刘志新，邱建华，刘仰光.矿井物探技术在突水预测中的应用[J].工程地球物理学报,2007,4(1):1.

[2] 姜志海,邱建华,刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探中的应用[J].工程地球物理学报，2007,4(4):291-294.

[3] 尹奇峰，于景邨，潘东明，等.瞬变电磁法在矿井超前探测中的研究与应用[G].南昌：第十届中国国际地球电磁学术讨论会,2011:294-296.

[4] 刘树才,刘志新,姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报，2005,34(4):414-417.

[5] 杨 光，陈玉玖，姜志海.小回线源瞬变电磁法在煤矿积水采空区探测效果分析[J].工程地球物理学报,2011,8(4):399-402.

[6] 赵存明,沈雯敏.瑞雷波探测公路施工隧道地质灾害的可行性分析[J].中国安全生产科学技术,2006(2):39-42.

[7] 密士文，朱自强，彭凌星.瑞雷波和瞬变电磁法在探测隧道含水破碎带中的综合应用[J].工程勘察,2011(1):92-95.Application of Underground Comprehensive Geophysical Prospecting in Mine Water Prevention and Control

JIN Jixiang

Introduces using mine transient electromagnetic method and Rayleigh wave method to detect small coal mine failure zone outside sides of 28103 working face cutting hole in Yachen coal mine. Rich water anomaly area and damage area are determined and verified. It shows that the integrated geophysical technique is feasible in the coalmine, and can provide reliable basis for mine water prevention and control.

Mine transient electromagnetic method; Rayleigh wave method; Rich water anomaly; Complex geophysical prospecting technique

2016-05-21

靳吉祥(1981—)，男，河南安阳人，2010年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事地球物理勘探工作

(E-mail)553264071@qq.com

TD166

A

1672-0652(2016)07-0012-04