兴文县大旗煤矿11031 采煤工作面“物探验证”工作实践

2022-07-04李仲平

科技创新与应用 2022年19期

李仲平

（兴文县应急管理局，四川兴文 6444400）

为贯彻落实《煤矿防治水细则》（煤安监调查〔2018〕14 号）第36 条（二）款“可以采用直流电阻率电测深、瞬变电磁、音频电穿透、探地雷达、瑞利波及槽波、无线电坑透”等方法探测，采煤工作面应当选择两种以上方法，相互验证”的要求，兴文大旗煤矿在其首采工作面，利用“无线电波透视仪”和“瞬变电磁仪”对其开展了物探及相互验证工作，为其安全、稳定、持续地开展采煤工作提供了地测保障。

1 矿井及11031 采煤工作面基本情况[1-2]

兴文县大旗煤矿位于兴文县城200°方向，直线距离约16 km 处，行政区划属四川省兴文县石海镇大旗村；系四川独立升能改造矿井。矿区附近地势北高南低，海拔标高+1 436.5 m～+650 m，相对高差786.5 m；属亚热带温暖季风气候，夏季多暴雨，冬季多绵雨，年降雨量为1 597.9 mm～902.2 mm，平均降雨量为1 143.6 mm，区内水系不发育，仅在矿区南侧外围发育木浪沟小溪，大气降水多沿斜坡经冲沟汇入沟谷后径流排泄，在矿区北侧汇入岩溶区转入地下而补给岩溶地下水，以暗河形式排出区外；在矿区南侧经斜坡汇入木浪沟向东径流排泄，部分地表水则沿岩石节理、裂隙渗入地下，补给区内地下水。目前矿区生产、生活用水依靠主井口附近的泉水基本可就地解决，气温为38℃～-2.5℃，平均气温为18℃，无灾害性天气。

矿井设计生产能力45 万t/a，服务年限32.5 a；矿井采用平硐开拓方式，设有+693 m 主平硐、+1008 m 副平硐、+10220 m 回风平硐；矿井划分为+700 m 水平和+550 m 水平两个水平，5个采区；其中，+700 m 水平划分一、二两个采区，+550 m 水平划分为三、四、五3个采区。其首采区为+700 m 水平一采区、首采工作面为11031 采煤工作面；11031 采煤工作面北部为已关闭煤矿（银方煤矿）采空区，南部为相邻的11032 采煤工作面（准备接替面），东部为一采区上山保护煤柱，西部为一采区与二采区之间的隔离煤柱。

11031 采煤工作面开采单一煤层，即B3煤层，最大厚度2.76 m，最小厚度1.0 m，平均1.92 m。B3煤层基本顶为砂质泥岩，直接顶为灰色、深灰色粘土岩、泥岩、砂质泥岩及薄层炭质泥岩，底板为灰色、浅灰色粘土岩。根据11031 工作面运输巷与11031 回风巷掘进过程中揭露的煤岩层情况：“该采煤工作面开采区域内无断层、褶曲等构造”。

根据矿井地质资料显示：区内对矿坑充水具有常年稳定补给来源的主要是B3煤层顶部含水岩组（P2c+T1f1-3）的裂隙、溶隙水，充水方式以裂隙渗入为主；底部茅口组灰岩岩溶强含水层上距B3煤层约100 m，之间岩性为泥质岩及砂质岩等，具有一定的隔水能力，在无较大断层等导通茅口组含水层的情况下，对开采B3煤层一般无充水影响。11031 采煤工作面开采期间，充水补给来源为其顶部含水岩组（P2c+T1f1-3）的裂隙水，充水方式以裂隙渗入为主。

矿井针对11031 采煤工作面北部银方煤矿老空水，于2020年11月28日-2021年1月采取了探水钻孔放水措施，采空区积水已基本疏干。目前探水钻孔出水为11031 采煤工作面开采期间的日常涌水。

2 物探方法及仪器[3]

根据《煤矿防治水细则》（煤安监调查〔2018〕14号）第36 条要求，矿井11031 采煤工作面物探数据采集主要采用“无线电波透视法”和“瞬变电磁法”进行[3]，相应的物探设备为YDT175 矿用无线电波透视仪和YCS2000A 矿用瞬变电磁仪。

2.1 物探方法

2.1.1 无线电波透视法

又称“坑透法”，是利用无线电波在钻孔和巷道中的发射和接收来确定井下介质特性和地质构造的一种物探方法。当电磁波在井下有耗介质中传播时，遇到岩性不同的分界面就会产生不同的电磁波反射、折射、透射和吸收等，通过研究分析接收到的电磁波的性质达到探测井下目标物的目的。无线电波透视技术是基于岩石介电常数的差异为基础，电磁波在含煤地层中传播时可分解为垂直层理和平行层理两个方向，在垂直层理方向是非均匀介质，在同一煤层一定范围内平行层理方向上可近似认为是均匀的。煤层中断裂构造的界面、煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水的低电阻率带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波在穿越煤层途径中，存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影，即电阻异常区。矿井电磁波透视技术，就是根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统。

2.1.2 瞬变电磁法

又称“时间域电磁法”，是利用不接地回线或接地线源向井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井下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。

瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三阶段。在导电率为σ、导磁率为μ 的均匀各向同性大地表面，敷设面积为S 的矩形发射回线，在发射回线中通阶跃电流，电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场，如图1 所示。当发射电流突然下降到零，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，如遇到井下低电阻的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流。由于二次电流随时间变化，在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于低电阻地质体的感应电流，因此它包含着与地质体导电性有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，并对井下地质体的相关物理参数进行解释。

图1 矩形框磁力线示意图

2.2 物探仪器

2.2.1 YDT175 矿用无线电波透视仪

YDT175 矿用无线电波透视仪如图2 所示，可探测采煤工作面内部落差大于三分之一煤厚的断层、煤层顶底板起伏变化情况、直径大于10 m 以上的陷落柱、夹矸厚度变化带等地质异常情况。

图2 YDT175 矿用无线电波透视仪

2.2.2 YCS2000A 矿用瞬变电磁仪

YCS2000A 矿用瞬变电磁仪如图3 所示，是为煤矿井下含有瓦斯、煤尘爆炸性危险环境中探测含水和导水地质小构造而设计制造的本质安全电磁法勘探仪器。其主要功能是探测含水、导水地质构造以及含水体等。

图3 YCS2000A 矿用瞬变电磁仪

3 现场数据采集[4]

3.1 瞬变电磁数据采集

采集成果如图4-图8 所示：从11031 采煤工作面采止线位置开始，每间隔10 m 设置1个测点。同时，根据巷道走向及现场工作环境等因素，共计分为五段进行数据采集，第一段为0～220 m、第二段为220～400 m、第三段为400～500 m、第四段为500～710 m、第五段为730～890 m。

图4 瞬变电磁法数据采集成果图（0～220 m 段）

图8 瞬变电磁法数据采集成果图（730～890 m 段）

3.2 无线电波透视法数据采集

无线电波透视法数据采集采用在11031 工作面回风巷发射、运输巷接收的方式进行；根据11031 工作面走向长度，设计透视勘探距离为900 m，接收点距10 m，发射点距50 m。数据采集成果如图9 所示，其中，0 点坐标为11031 采煤工作面运输巷与切眼交叉位置，其余点均为与0 点的相对坐标。由于11031 采煤工作面运输巷和回风巷近似弧形，成果图上的坐标与实际存在一定的偏差，为更好地与工作面实际相对应，将成果图分为三个部分。

4 探测成果解释[4]

4.1 瞬变电磁法成果解释

（1）在11031 采煤工作面共计发现5个低阻异常区，分别命名为1#低阻异常区、2#低阻异常区、3#低阻异常区、4#低阻异常区、5#低阻异常区。将11031 采煤工作面止采线位置设置为0 点，1#低阻异常区横向位于270～280 m 段，纵向分布范围为10～45 m；2#低阻异常区横向位于356～373 m 段，纵向分布范围为10～50 m；3#低阻异常区横向位于630～645 m 段，纵向分布范围为10～50 m；4# 低阻异常区横向位于655～670 m 段，纵向分布范围为10～50 m；5#低阻异常区横向位于675～710 m 段，纵向分布范围为10～45 m。

图5 瞬变电磁法数据采集成果图（220～400 m 段）

图6 瞬变电磁法数据采集成果图（400～500 m 段）

（2）根据低阻异常区的分布，推测11031 采煤工作面内的煤层或顶底板有裂隙或断层，且具有一定的富水性。

4.2 无线电波透视法成果解释

（1）无线电波透视法成果图展示如图9 所示，即0点坐标为11031 采煤工作面运输巷与开切眼交叉位置，其余点均为与0 点的相对坐标，成果图弧形方向为工作面运输巷走向方向。

（2）如图9 所示，11031 采煤工作面内部裂隙与断层较少，仅在该工作面北东侧发现一处异常，范围为765～830 m 段，同时，根据矿方提供资料，在运输巷及回风巷掘进过程中，未揭露到该段区域有断层，从而推测该异常为走向断层，走向大致与工作面运输巷平行，断层走向长约65 m，倾斜宽约17~22 m。