不规则工作面综合物探设计施工方法研究

2022-06-17何继刚

煤炭与化工 2022年5期

何继刚

（冀中能源峰峰集团有限公司羊东矿，河北邯郸 056200）

0 引言

煤矿工作面的布置形式在地质情况较为简单情况下一般为矩形或近似矩形的形式，以方便支架支设、采煤机回采及其它地质情况要求。但在地质条件较为复杂地区沿断层等地质构造圈定的工作面、回采三角煤布置的工作面、采掘生产遗留的煤柱工作面，均极大程度会产生不规则工作面，也称异形工作面。

煤层在掘进完毕形成工作面后，安装采煤机进行回采之前，为保证安全回采须进行综合物探设计及施工。综合物探即是采用2 种以上的物探方法对工作面内部隐伏导、含水构造进行探测。其中无线电波坑道透视和瞬变电磁方法为应用最广、技术效果最好、最具代表性的物探方法。

1 物探方法原理

1.1 瞬变电磁探测技术

瞬变电磁探测技术首先应用在地面物探，因其具有定向性好、对水敏感等特点，随应用需求逐渐发展为矿井物探的一种方法。瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小，而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

1.2 无线电波坑道透视技术

无线电波坑道透视方法是借助于研究高频电磁波在岩石中传播规律，从而揭示地下构造形态的一种物探方法。由于电磁波在煤层中传播时，不同电阻率的介质对电磁波的吸收不同，电阻率小的介质，对无线电波吸收强，接收到的无线电波强度就小，和理论场强相比较，会形成“阴影区”。根据“阴影区”的情况，就可以判断出地质异常体的存在。

2 规则工作面物探布置方法

规则工作面（图1）的基本形式为矩形或者近似矩形，因其具有良好的回采效率和回采工效，这种布置方式被广泛应用在全国各个煤矿。

图1 规则工作面及其物探布置形式Fig.1 Regular working face and its geophysical exploration layout form

无线电波坑道透视在规则工作面施工时一般采用固定单一频率发射。发射点间隔一定距离布置，并根据发射点位置在对巷呈扇形设置接收点。发射点、接收点位置及间隔依工作面宽度、现场揭露地质构造等确定。

瞬变电磁探测工作在两巷及切眼处施工时仅需采用垂直巷道方向对工作面进行探测，在切眼和上下巷拐角处施工瞬变电磁超前探测，这满足了对工作面内外探测的要求。

规则工作面探测角度布置形式如图2 所示。

图2 规则工作面探测角度布置形式Fig.2 Regular working face detection angle layout form

3 不规则工作面概况

羊东矿06202（Ⅰ块）工作面煤层为二叠系山西组2 号煤（顶层），煤厚5.3 ～6.7 m，平均厚度6 m，煤层稳定，其结构复杂，普遍含1 层夹石，较稳定，顶夹石厚0.05 m，为炭质粉砂岩，距顶板0.5 ～0.6 m。该工作面回采过程中将揭露4 条正断层，落差1.7 ～4.5 m。其中，对该工作面回采过程中影响大的断层为F202-24、F202-24 断层。

06202 （Ⅰ块）工作面为大煤煤层工作面，煤层底板标高-18—-50 m，回采前地质及水文地质条件已查明。工作面西南部为6251、6255 采空区，该采空区水文地质条件清楚、简单，采空区内不存在积水，故不受老空水威胁。根据该工作面两巷及周边实际揭露断层情况，断层均不导水。断层实际揭露局部仅有少量滴、淋水现象，水源为大煤顶板砂岩水可逐渐疏干，工作面回采不受断层导水威胁。该工作面开采范围内不存在封闭不良钻孔，故不受封闭不良钻孔导水威胁。该工作面为浅部2 号煤煤层工作面，位于大青第Ⅳ单元，该区大青灰岩水位稳定在+120 m。工作面煤层距下伏大青灰岩含水层顶面113.4 m，工作面开采最低标高为-50 m。该工作面煤层距下伏奥陶系灰岩含水层顶面150.3 m，开采最低标高为-50 m，近3 a 奥灰水位为+136 m，隔水层底板承受的水压为3.37 MPa。

4 不规则工作面物探布置形式

4.1 坑透布置形式

坑透探测范围为06202（Ⅰ块）整个工作面。工作面由K1、K2、K3 三个部分组成。工作面内沿06202（Ⅰ块）工作面K1 区和K2 区运料巷和溜子道分别布置发射点10 个，共计20 个；沿06202（Ⅰ块） K3 区左巷和右巷分别布置2 个测点，共计4 个测点。测点间距50 m，每个发射点接收15 个点，接收点间距10 m，接收点共计约300 个。

对比规则工作面，该工作面K1 和K2 区域的宽度变化幅度不大，但相比K3 区的宽度差别幅度较大，而且在K1 ～K2 区，工作面宽度有渐变增加的趋势，且存在一条已掘联巷，这些均导致在施工坑透的过程中，必须要避免转角处探测盲区，在工作面宽度变化较大时更改发射频率，增加并合理设置发射点等问题。

经研究后，在该工作面K1 和K2 区联合进行探测；在K3 区和K1 区运料巷0 ～200 m 运输巷0～120 m 采用1.5 MHz 发射频率；在K2 大部分区域采用0.5 MHz 发射频率；在溜子道100 ～150 m 减小发射点距离。对比规则工作面的布置要求，该工作面的坑透设计及施工更加复杂和需要精细化，在拐角及宽度变化较大区域需及时调整发射点、接收点位置及数量，保证数据质量。