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煤矿陷落柱综合物探技术

2021-05-24任菲菲

西部探矿工程 2021年6期
关键词:涡流物探电阻率

任菲菲

(山西沁和能源集团九鑫煤业有限公司,山西晋城048000)

1 概述

煤矿陷落柱是煤田地区下伏石灰岩中岩溶发育,同时在其自重作用下,覆岩不断向下塌陷而形成的堆积物[1-3],其富水特征因地而异,长期以来,陷落柱一直威胁着我国煤矿安全生产,同时影响煤矿安全高效发展[4-6]。

陷落柱是一个比较复杂的地质构造,它的形成多与灰岩有关,其内部多为松散且成分比较复杂。正常的底层沉积层序被打乱,陷落柱与周围煤岩层在特征上存在着重大差别[7]。

目前,对于煤矿陷落柱的探测主要以物探技术为主。王赟[8]采用地震的绕线波特征进行了分析,利用断陷点对陷落柱进行识别;吴守华[9]等采用地震剖面的归纳与总结,得出不同条件下的地震响应特征,并成功识别陷落柱;杨武洋[10]采用电磁法对煤矿陷落柱进行了探测,通过不同的电阻率分析不同区域的富水特征。

以上众多学者采用不同的物探技术对陷落柱的特性进行了研究。物探技术存在较多不足,且没有相关的钻探进行验证,探测结果存在一定的不足,探测准确性大大降低,给煤矿安全带来威胁。根据矿井防治水细则,应物探先行、钻探验证的方针进行。因此,基于以上问题。本文霍州煤电某矿为试验矿井,采用多种物探技术对矿井井下工作面陷落柱进行综合探测,并根据钻探对物探进行验证,为煤矿安全生产提供技术支持。

2 工程面及仪器

2.1 工作面情况

山西焦煤集团有限责任公司霍州煤电集团公司某煤矿6102工作面全长550m,工作面宽度为105m,工作面煤层倾角为7°。煤层赋存稳定,平均厚度9.82m为单一稳定煤层,在工作面巷道机开切眼掘进过程中,没有揭露地质构造异常区域。但在距离工作面75~85m区域内,工作面煤层一帮有水流,经过一段时间后,工作面巷道顶板出现大量的淋水,淋水量较大,可达出水量为4~6m3/h。为了保证工作面的安全生产,决定对异常区域进行综合物探,采用瞬变电磁和无线电波透视技术对异常区域进行探测分析,并对物探区域进行钻探验证。

2.2 仪器

2.2.1 瞬变电磁技术

瞬变电磁技术是一种利用电磁原理来探测地质异常区的一种方法,它在测试中不需要连接相关的线路或者其他接地线的形式向被探测区域发射一次脉冲磁场。当进行一次脉冲磁场后,在脉冲磁场的间歇阶段会形成二次感应涡流场,利用形成的这种涡流场能够探测岩层的电阻率变化特征,利用不同的电阻率变化特征来判定被探测介质的构造特性。瞬变电磁技术探测原理如图1所示。

图1 瞬变电磁探测原理图

在一次脉冲磁场间歇阶段形成的涡流场与被探测介质的电阻率特性密切相关,同时,对于相同岩性的电阻率其值也是不同的,岩层的完整性越好其电阻率越高,岩层的完整性越差其电阻率越低。对于岩层形成的电阻率值较高的区域其涡流场反而较弱,而电阻率较低的区域其涡流场反而较强。通过探测得出的涡流场的情况综合分析被探测介质的电阻率情况,通过得出的电阻率变化特征分析被探测介质的岩性、含水特征、构造特性等相关特征。

本次试验为了更加准确地探测构造情况采用加拿大公司GEONICS研发的新型的PROTEM+TEM-47瞬变电磁仪器,该仪器具有抗干扰能力强、探测精度非常高、受环境影响小的优点。

2.2.2 无线电波透视技术

无线电波透视技术也是一种利用电磁波探测构造的一种方法。该方法是通过仪器发射电磁波,电磁波在被探测介质中进行传播,传播的过程中会发生电磁波能量的衰减,遇到不同的岩性及构造其能量衰减是不同的,因而在介质中传播其能量存在着较大的变化,在工作面的两条巷道中放置发射仪器和接收器,覆盖整个工作面进行CT扫描,在介质传播过程中能量衰减变化异常的区域会形成明显阴影区,通过分析能量异常阴影区的特点,分析异常区的范围及富水特性。无线电波透视技术其探测结构如图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法,接收点距离为10m,发射点距离为20~60m,发射频率为0.6MHz。从接收信号可知,在6102工作面迎头处存在一个异常区。衰减值在-14~-39dB之间,图3为定点观测强度曲线。

图3 6102工作面无线电波透视法场强曲线

由图3可知,图3(a)中曲线呈“V”字型,图3(b)呈“半坡”型,其中“V”字型曲线主要是由接收点信号受异常区吸收所致,而“半坡”型曲线说明其只有一侧的接收信号受到影响。图3(c)为平常的近似理论值曲线,说明无异常区域,图3(d)曲线呈近似“小V”型,且其强度值较低,经分析主要是由于发射点和接收点辐射范围内低电阻率异常体所致,综合以上分析知,该异常体位于近机巷区域,采用曲线分析法和成像技术得出图像解释结果,即在61021巷距迎头75~105m范围内,煤层中大约20m处存在陷落柱异常体,后经相应处理,目前6102工作面已回采完毕,回采揭露表明,在6102工作面61021巷迎头上帮大约20m处存在一个陷落柱。

从6102工作面陷落柱无线电波透视资料分析可知,中心衰减值在-32~-39dB之间,在陷落柱周圈,异常区幅度呈递减趋势,衰减值在-14~-32dB之间。因6102工作面陷落柱位于工作面中间,两巷均有较好的探测条件。从无线电波透视场强曲线上表现出“半坡”型、“V”字,曲线的多样性是由于接收点与发射点跟陷落柱之间空间位置的变化所致,远离陷落柱呈“V”字型等,近陷落柱呈近似理论探测曲线。

3.2 瞬变电磁探测技术研究

瞬变电磁技术探测的测点布置在工作面61021巷和61022巷之间的工作面切眼处,采用2×2m重合回线,测点探测方向示意图如图4所示,探测结果处理等值线如图5所示。

图4 探测方向示意图

图5 探测数据图

由图5数据图可知:勘探体为拱形体。瞬变电磁为全空间响应,其实际勘探体积是以回线为对称的拱形,在探测前期,探测深度较浅,是因为近距离电性瞬变响应,随着探测深度的不断延伸,探测面积逐渐扩大,电性变化率高,在探测数据图上,距离开切眼水平距离52m左右,发育深度为20m(45~65m之间)的低电阻率区。

4 钻探验证

根据物探成果图,在工作面布置了三个验证钻孔,3#钻孔在钻进37m和58m处分别出水4m3/h和22m3/h,2#钻孔在钻进42m处涌水量为8.6m3/h,1#钻孔从18.9~38.7m有水涌出,最大为26.8m3/h,同时在无线电波透视异常(阴影)区,陷落柱在工作面回采过程中已被揭露证实,且由钻孔出水情况可推算出陷落柱附近存在富水区,综上可知物探结果还是比较可靠的,对工作面安全开采具有指导意义。

5 结论

(1)根据无线电波透视数据分析结果,得出在61021巷距迎头75~105m范围内,煤层中大约20m处存在一个陷落柱异常体。

(2)根据瞬变电磁数据分析结果,得出距离开切眼水平距离52m左右,发育深度为20m(45~65m之间)的低电阻率区。

(3)钻探结果证实了物探结果的准确性,为工作面安全回采提供了依据。

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