综合物探技术在马兰矿10608工作面的应用

赵潇辉

（西山煤电 马兰矿，山西 古交 030200）

1 工程概况

马兰矿10608工作面走向长1720 m，倾斜长216 m，工作面回采煤层为二叠系下统山西组02号煤层，属稳定可采近水平中厚煤层，煤层厚度1.00～2.60 m，平均2.11 m，煤层结构复杂，普氏硬度1.7。工作面水文地质条件复杂，主要水患有顶板砂岩含水层水和底板奥灰岩溶水。02号煤上部6.5m的K4砂岩和K5砂岩为承压裂隙弱含水层，局部含水较丰富。根据掘进期间涌水情况分析，工作面在回采过程中预计会有淋滴水现象，根据导水裂隙带高度公式计算，工作面回采后冒落裂隙带高度为58m，会导通上部K4砂岩(平均厚3.0 m)及K5砂岩(平均厚8.0 m)承压裂隙弱含水层，预计正常涌水量2 m3/h，如遇构造及裂隙发育段，顶板淋滴水会继续增大，最大涌水量30 m3/h。工作面底板奥灰水静水位标高+910 m，02号煤层底板标高+874 m～+905 m，施工段全部带压，02号煤至奥灰水界面最小间距175 m。根据带压开采宊水系数公式计算，工作面最大突水系数0.0159 MPa/m。工作面共揭露11条断层，落差0.7～3.0 m，工作面巷道实际揭露4个陷落柱，根据邻近工程及钻孔资料分析，工作面中部局部节理发育，节理面基本平行巷道，受力后节理面易张开，造成底鼓、顶板破碎及瓦斯异常涌出等情况。鉴于10608工作面地质条件，需将工作面区域内的富水情况探测清楚，为工作面安全回采保驾护航。单一物探方法受其技术特征限制，难以完全满足工作面探测要求。根据各种物探方法的使用范围及优缺点，综合应用无线电波坑道透视法和瞬变电磁法对10608工作面进行探测。

2 测区物探方法

2.1 无线电波坑道透视法原理简介

无线电波坑道透视法是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，同时做等距离移动，逐点发射和接收；或发射机在一定时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。若在煤层中存在异常地质构造、破碎煤体及富水区等都会导致电磁波的能量损耗，出现透视异常区。该方法可以较好地对煤层内存在的断层、陷落柱及破碎岩体进行探测，但对煤层顶底板地质异常探测有限。

2.2 瞬变电磁法原理简介

瞬变电磁法(TEM)通过不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流，当回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中，如遇地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场，又称为二次磁场。通过接收线圈测量二次场空间分布形态，就可发现地下异常地质体尤其是地下含水层（段）的存在，并确定异常体的电性结构和空间分布形态。

3 综合物探方案设计

3.1 无线电波坑道透视方案设计

本次探测工作采用WKT-E型（大透距）无线电波坑道透视仪。马兰矿10608工作面实际探测长度1640 m，皮带顺槽与轨道顺槽间宽度约为216 m。经井下探测频率条件试验，试验区内发射频率1.5 MHz，接收值较小（＜10 dB）且不稳定；0.5 MHz和0.3MHz频率穿透性较强，接收值稳定，兼顾到较高分辨率，故选用0.5 MHz频率进行工作面透视工作。本次探测测点间距设定为10m，发射点间距为50 m，每个发射点对应11个接收点。10608作面坑透工作在皮带巷和轨道巷之间进行，共布置330个测点，66个发射点。其中，10608工作面轨道巷测点编号为：508～672号；10608工作面皮带巷测点编号为：8～172号。点号都是从巷道入口（停采线）往切眼方向依次增大。图1中绿色框内为10608工作面无线电波坑道透视边界。

图1 10608工作面坑道透视

表1 工作量统计

3.2 瞬变电磁法方案设计

需采用瞬变电磁法查明工作面及顶底板上下60 m范围内的富水情况，数据采集采用YCS256本安型矿用瞬变电磁仪，重叠回线装置。仪器及装置相关采集参数如下：探测深度约80 m，测点间距为10 m，每个测点设计3个方向，对各测点进行编号并标记。工作量统计如表1所示。

4 物探效果分析

4.1 无线电波坑道透视

图2中蓝色曲线表示衰减场强值，红色曲线表示实测场强值，绿色曲线代表某测点的衰减系数值。根据工作面地质资料，本次探测区域工作面倾向长度不一致（216 m/100 m/216 m），倾向长度长的区域接收场强值相对比倾向长度短的整体偏小，且在局部大范围区域表现为强衰减，整体信号弱。本次数据处理采用了分段细化处理方法，以期实现对异常的较好反应。具体分段范围为：发射点10～55段；发射点55～95段；发射点95～130段；发射点130～165段。

从本次探测工作可以看出，无线电波对10608工作面的异常区域有较好的反映，探测总体衰减系数范围自0.37＜η＜1.06范围之间。根据总体衰减系数分布情况可知，80～500 m、1060～1310 m和1500～1720 m范围内，实测场强值相对500～1060m和1310～1500 m范围整体偏大，根据分段CT成果图发射点10～55段(η＞0.55)、55～95段（η＞0.58）、95～130段（η＞0.95）、130～165段（η＞0.50）区域为相对强衰减区，显示为蓝色或浅蓝色区域；0～55段（η＞0.52)、55～95段（η＞0.55）、95～130段（η＞0.85）、130～165段（η＞0.45）区域为相对较强衰减区，显示为绿色或浅绿色区。根据相对衰减强弱划分异常，结合矿方提供的已知地质资料及图纸进行异常范围划分，本次探测共圈定10处较为明显的异常区，分别编号为：E1～E10号异常区。图3中下边边界为10608工作面轨道巷，上边边界为10608工作面皮带巷，探测起点为巷道入口的停采线前12m，即皮带巷08#测点，对应轨道巷508#测点位置。结合地质资料，推断工作面内的隐伏构造（如断层、陷落柱）是造成异常的主要原因。

另外，在工作面轨道巷536#～543#测点之间，对应皮带巷40#～43#测点之间的区域，场强衰减范围为-5～13 dB，场强衰减相对其他非异常区域较大，推测该区域为掘进过程中轨道巷揭露的落差0.8 m正断层所致，大概延伸至轨道巷544#测点相对应工作面内部的位置。在工作面轨道巷639#～645#测点之间，对应皮带巷139#～147#测点之间的区域，场强衰减范围为-5～12 dB，场强衰减相对其他非异常区域较大，推测该区域为掘进过程中两巷道揭露的落差1.0 m正断层所致。

4.2 瞬变电磁法

图2 马兰矿10608工作面无线电波坑透成果

井下采集的数据须经过进一步的处理和解释，才能将所测得的数据转化为生产中所需要的物探和地质成果。在视电阻率断面图上，若地层中无含导水构造或富水区域，则视电阻率变化平稳，反之则会出现明显低阻异常区。

在皮带顺槽和轨道顺槽3个方向探测范围内，纵向深度0～15m为物探盲区，视电阻率均大于5Ω·m，无富水异常区。

切眼探测结果见图3，切眼内三个方向探测范围内，纵向深度0～15 m为物探盲区，红线圈定的视电阻率小于10Ω·m的区域为富水异常区，位置见图2。

经过对视电阻率拟断面图的分析得出13个富水异常区，具体位置如下：

①切眼斜向上45°探测异常区5个：

（a）E1：切眼横向0～5m、纵向40～60 m范围；

（b）E2：切眼横向28～115m、纵向35～80 m范围；

（c）E3：切眼横向135～150m、纵向55～75 m范围；

（d）E4：切眼横向170-205m、纵向55～75 m范围；

（e）E5：切眼横向215～220m、纵向45～65 m范围。

②切眼顺层探测异常区4个：

（a）E6：切眼横向0～100m、纵向30～80 m范围；

（b）E7：切眼横向120～140m、纵向65～80 m范围；

（c）E8：切眼横向160～185m、纵向45～75 m范围；

（d）E9：切眼横向195～220m、纵向25～75 m范围。

③切眼斜向下45°探测异常区4个：

（a）E10：切眼横向0～10m、纵向20～70 m范围；

（b）E11：切眼横向50～60m、纵向70～80 m范围；

（c）E12：切眼横向75～85m、纵向45～70 m范围；

（d）E13：切眼横向170～185m、纵向70～80 m范围。

图3 切眼电阻率拟断面

5 结语

1）本次坑透共发现异常区10个，异常区域可能是受各类地质构造影响，也有可能受煤厚变化、煤质变化及瓦斯积聚的影响，而这些异常区域往往存在应力集中和瓦斯积聚的隐患，因此在后续生产过程中需进一步对异常区域进行验证，做好安全防护工作，保证矿井安全生产。

2）由于瞬变电磁法探测时，皮带顺槽和轨道顺槽金属干扰较多，对探测数据产生较大影响，可能会屏蔽真实的低阻异常。因此，在回采时要加强涌水量观测，工作面内部有断层和陷落柱，回采过程中有滞后导水的可能，回采时应密切注意，保证安全。