综合物探在陷落柱精确定位探测中的应用

2021-04-01廉玉广王国库

山西煤炭 2021年1期

李刚,廉玉广,王国库

(1.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司,山西晋城 048006; 2.煤炭科学技术研究院有限公司,北京 100013)

随着煤炭机械化开采程度不断进步,工作面内部地质构造提前准确预测也越来越重要。陷落柱仍然是影响煤炭安全回采的主要影响因素之一[1]，工作面内部陷落柱的存在破坏了煤层及围岩的稳定性,给机械化采煤带来巨大阻碍,使煤矿采掘衔接不能正常进行。另外,陷落柱有可能导通含水层,特别是带压开采工作面,陷落柱极易成为导水通道,导致矿井突水,造成淹井等灾害的发生。因此,为了保证煤矿安全高效的生产,工作面回采之前需探明工作面内部陷落柱的位置,为矿井安全生产提供地质保障[2-6]。

为了达到对陷落柱定位的精度,可根据实际工作面的地质情况,采用几种方法进行综合探测[7]。目前,煤矿井下进行构造探测最常用的方法为无线电波透视法。该方法施工便捷,成本较低；但由于无线电波透视系统的接收面小、透射距离短等原因,造成探测的纵向分辨率差,只能横向对陷落柱定位控制。槽波勘探是一种井下高精度探测方法,可以有效反映工作面内的陷落柱或断层等地质构造,且探测分辨率高。目前,国内槽波地震探测采用孔中炸药震源激发和孔中检波器接收的方式。但槽波震源孔和检波孔成孔及数据采集过程较为复杂,施工成本较高,同时占用矿方生产时间较长,带来较多不便。本文首先采用了矿井无线电波透视法对某煤矿3301工作面进行无线电波透视全覆盖探测,然后对重点异常区域进行槽波地震精细探测,既有效减少了槽波地震探测工作量,又实现了异常体的定性解释和精确定位,从而达到良好的探测效果。

1 地质概况

某矿井田内主要发育构造为断层和陷落柱,开采煤层为3#煤,平均煤厚6.1 m。3301工作面走向长700 m,倾向长220 m。直接顶为砂质泥岩,直接底为泥岩。工作面整体向斜构造,停产线处较高,切眼巷较低,煤层倾角平均5°。据三维地震探测结果资料推断工作面内可能存在陷落柱,具体位置偏差可能较大。为防止影响生产衔接,需要在井下采用综合物探方法对该陷落柱进行定位探查以确保安全开采。

2 探测原理和方法

2.1 无线电波透视

电磁波在井下岩层中传播时,由于各种岩、煤电性质(电阻率ρ和介电常数ε)的不同,对电磁波能量吸收不同,低阻岩层对电磁波吸收能力强。当电磁波传播前方遇到陷落柱时,电磁波能量将被损耗[8]。在矿井回采工作面一条顺槽发射电磁波时,当电磁波穿过煤层途中遇到陷落柱时,电磁波能量将被吸收或完全屏蔽,这将导致巷道只能接收到弱信号或接收不到电磁波透射信号,形成所谓的透视异常区,即为所要探测陷落柱的位置和范围(如图1),从而进行陷落柱解释[9]。

图1 无线电波透视法工作原理图Fig.1 Working principle of radio wave perspective method

2.2 槽波勘探

煤层中激发的地震波除了少部分向外部辐射外,由于受顶底板岩层界面的制约作用剩余能量被禁锢在煤层之中发生多次全反射,形成槽波。槽波勘探是应用槽波来探查地质构造的物探方法，通常根据探测目的和布置方式的不同分为透射法，反射法和透射与反射联合法。

透射法槽波勘探。在一条巷道的煤层内激发地震波,在另一条巷道的煤层内接收槽波,检波器接收到的地震波主要为透射槽波,因而称为透射槽波勘探,透射法原理图如图2所示。检波器和炮孔分别布置在两条巷道煤层的中间位置,当槽波传播路径中遇到陷落柱时,槽波的能量将减弱,通过分析接收到的槽波数据如振幅、能量、频率等的变化,从而探测出工作面内的陷落柱[10-12]。

图2 透射法槽波勘探工作原理图Fig.2 Working principle of in-seam seismic transmission exploration

3 陷落柱定位勘探实例

为了探明某矿3301工作面内部陷落柱位置,首先对整个工作面走向长700 m施工无线电波透视,根据无线电波透视结果可以先对异常进行定性和横向位置确定,然后对发现的重点异常区域进行槽波地震精细探测,提高垂向探测分辨率,利用综合物探方法对该异常区域进行定位探查。对整个工作面进行无线电波透视探测时需施工人员5名,矿方工作面停电2 h。针对无线电波透视探查到的重点异常区域(360 m透射槽波)进行槽波勘探,施工炮孔和检波器孔工作人员3名,用时2 d;安装设备、放炮及数据采集和回收设备用时3 d,施工人员10名。

3.1 无线电波透视

1)无线电波透视系统施工方法。观测方式采用定点法,即发射机相对固定于某巷道事先确定好的场强值,观测射线呈扇形分布,发射线圈与接收线圈所在平面应与巷壁垂直。为确定透视异常的位置与分布范围,要调换发射与接收巷道的位置,重复定点观测方式,用以射线交会,划分异常。在3301工作面进风顺槽发射时,设置发射点14个,对应的每个发射点在3301工作面运输顺槽接收11个数据;在3301工作面运输顺槽发射时,设置发射点14个,对应的每个发射点在3301工作面进风顺槽接收11个数据。发射点间距50 m,接收点间距为10 m；现场标点0号点为切眼,每隔10 m一个点。

2)无线电波透视法结果。本次数据用无线电波透视CT软件进行反演,反演结果以实测场强曲线图(陷落柱为“V”字形曲线)和SIRT法反演(深蓝色为低场强值,白色为高场强值)场强分布图表示。从图3、4实测场强曲线图可以看出，该工作面切眼0～480 m区间整体场强值在71 dB左右,而且场强曲线稳定,说明该区域不存在地质异常;在距切眼480～620 m范围内整体场强值小于71 dB,最小值为6 dB左右,而且该区间实测场强曲线呈现“V”字形曲线形态,说明该区域对电磁波吸收能力强,推断为陷落柱反应区,圈定了1处异常,如图5所示。异常形态总体呈条带状,贯通运输巷和进风巷,垂向范围较大,无法分辨陷落柱在采煤工作面内的影响范围。

图3 3301工作面进风顺槽发射实测场强曲线图Fig.3 Measured field strength curves of in-take gateway of No.3301 working face

图4 3301工作面运输顺槽发射实测场强曲线图Fig.4 Measured field strength curves of transportation gateway of No.3301 working face

图5 3301工作面无线电波透视结果(场强分布)图Fig.5 Radio wave perspective results (field strength distribution) of No.3301 working face

3.2 槽波勘探

1)槽波勘探施工方法。本次勘探采用透射法进行勘探,设计探测长度为360 m(3301工作面措施巷以里360 m)。透射槽波布置37个炮孔和37个检波孔。

2)槽波勘探结果。图6为选取该工作面内比较典型的第3炮透射槽波单炮记录。其透射槽波特征为:能量相对较强,速度相对较低，频率相对较高。通过对各单炮记录的仔细分析可以看出,槽波整体发育良好,埃里相特征明显,较为清晰连续,但在部分数据中能量衰减加剧,说明工作面内部分区域存在地质异常情况影响。

图6 槽波透射第3炮单炮记录Fig.6 The third shot record by in-seam seismic transmission

槽波透射结果如图7所示,槽波透射采用能量法分析,并根据透射槽波振幅值,利用CT层析成像方法得出衰减系数图,根据衰减系数的透射槽波能量变化特征,判断地质构造的位置和范围。图7中暖色(红色)区域表示能量衰减大,综合无线电波透视和槽波透射勘探结果,推断该区域为陷落柱。

图7 槽波透射探测结果图Fig.7 The result of in-seam seismic transmission exploration

3.3 综合勘探结果及探采对比

图8为无线电波透视和槽波勘探综合结果及探采对比图。目前该工作面已经回采结束,从图中可以看出，实际回采陷落柱与三维地震结果偏差比较大,三维地震探测陷落柱尺寸为长轴135 m,短轴118 m。而综合勘探陷落柱位置和实际回采揭露位置基本吻合,综合物探勘探陷落柱长轴100 m，短轴83 m,实际该陷落柱长轴94 m,短轴64 m，大小也基本吻合。

综上所述,结合无线电波透视和槽波勘探的各自优势能够准确定位陷落柱。