复杂地质条件回采面多手段综合物探技术应用与成果分析

2023-05-19周鹏

煤炭与化工 2023年3期

周鹏

（霍州煤电集团技术研究院，山西霍州 031400）

山西焦煤霍州煤电集团所属矿井均位于霍西煤田，地质及水文地质条件复杂，构造及水害问题一直以来制约着矿井的高效生产。由于矿井地质条件复杂多变、施工过程中客观干扰因素不可排除等原因，造成了物探成果误报率高、准确率低的情况，说明在地质构造复杂的条件下，单一物探手段经常存在异常区圈定范围不准、漏报、误报等问题。因此需采取多种物探方法开展综合探查，并结合各种方法成果进行分析研判，为矿井钻探及后期安全高效回采提供准确的物探地质依据。

1 概况

山西焦煤霍州煤电集团亿隆煤业1-105 工作面为该矿井标高最低的备采面之一，最低标高+138.5 m，奥灰水位520 m，承压约3.8 MPa。工作面内部地质构造极其复杂，掘进过程中正、副巷及切巷揭露8 条断层，最大落差达H=5.1 m，为1 号煤层总厚度的3 倍（煤层厚度为1.7 m），且临近的103 工作面回采过程中构造扰动滞后出水，最大涌水量达700 m3/h。105 回采工作面同样存在内部及底板下隐伏地质构造影响的可能，突水危险性相对较大。

由于工作面地质条件相对复杂，在该回采工作面形成后进行了4 种物探手段进行综合探查，包括无线电坑透、瞬变电磁、音频电透视以及直流电法测深，对4 种物探方法的综合成果进行分析研究，合理判断和圈定综合异常区域范围。

2 无线坑透成果

2.1 基本原理

无线电波坑道透视是用来探测顺煤层两巷之间的各种地质构造异常体。工作时，发射机与接收机分别位于不同巷道中，发射机发射固定频率的电磁波，接收机在一定范围内逐点观测电磁波穿透煤层后剩余场强值。

交替成层的含煤地层是非均匀介质，电磁波在含煤地层中传播可分解为垂直层理和平行层理方向，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，构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水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（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。

根据无线电透视探测成果，1-105 工作面共圈定4 处较为集中的异常区域，如图1 所示。

图1 无线坑透ct 成果Fig.1 The CT results of radio wave tunnel perspective

2.2 成果解释

E1 异常区位于1-1051 巷51～57 号测点，异常范围内场强衰减约15～25 db。分析该异常区范围内受巷道已揭露的F57H=4 m∠55°断层影响。

E2 异常区位于1-1052 巷530～545 号测点间，异常范围内场强衰减约5～15 db。分析该异常区范围内可能受巷道已揭露的F52 H=5.1 m∠55°断层影响。

E3 异常区位于1-1052 巷518～523 号测点间，异常范围内场强衰减约5～10 db。分析该异常区范围内存在隐伏地质构造。

E4 异常区位于1-1052 巷507 号-509 号测点间，异常范围内场强衰减约5～10 db。分析该异常区范围内可能受巷道已揭露的F50H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5m∠80°断层影响，不排除存在隐伏地质构造的可能。E4 异常区分析流程及依据如图2 所示。

图2 异常区原始数据分析流程及依据Fig.2 The original data analysis process and basis of abnormal area

3 瞬变电磁成果

3.1 基本原理

矿井瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是在巷道内设置通以一定波形电流的发射线圈，在其周围空间产生一次磁场，并在巷道周围导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，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。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

此次1-105 工作面瞬变电磁探测在顶板、顺层、下45°三个方向共圈定5 处低阻异常区，编号S1、S2、S3、S4 和S5，如图3 所示。

3.2 成果解释

S1 异常区位于1051 巷14～22 号测点；S2 异常区位于1051 巷5～12 号测点；S3 异常区位于1052 巷37～47 号测点；S4 异常区位于1052 巷13～16 号测点，预计S1～S4 异常区范围内构造裂隙相对发育，含裂隙水。S5 异常区位于1052 巷2～8 号测点间，预计该异常区范围内受F50 H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5 m∠80°断层影响构造裂隙发育，含裂隙水。S5 低阻异常分析流程及依据如图4所示。

图4 异常区原始数据分析流程及依据Fig.4 The original data analysis process and basis of abnormal area

4 音频电透成果

4.1 基本原理

由于地下各种岩（矿）石之间存在导电差异，影响着人工电场的分布形态。矿井音频电透视法就是利用仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的。矿井音频电透视法仍属矿井直流电法，因其施工方法技术、资料处理技术的差异及主要针对性（探测采煤工作面内部的构造）等原因而形成矿井音频电透视法分支。

此次探测128 Hz 音频电成果是底板下0～40 m的地层信息，16 Hz 音频电成果是底板下40～80 m的地层信息。探测圈定5 处明显低电阻（高电导率）异常区，编号为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5，如图5、图6 所示。

图5 1-105 回采面音频电（128 HZ）透视成果Fig.5 The audio electrical perspective result（128 HZ）of No.1-105 face

图6 1-105 回采面音频电（16 HZ）透视成果Fig.6 The audio electrical perspective result（16 HZ）of No.1-105 face

4.2 成果解释

Y1 异常区位于1-1052 巷54 号—切巷口；Y2异常区位于1-1051 巷48～53 号测点；Y3 异常区位于1-1051 巷35～37 号测点；Y4 异常区位于1-1051 巷15～17 号测点；Y5 异常区位于1-1052巷5～7 号测点，上述5 处异常区底板下一定深度范围内构造裂隙发育，含裂隙水。

5 直流电测深成果

5.1 基本原理

矿井电法属于全空间电法勘探，它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建立电场，使用全空间电场理论处理和解释有关矿井地质问题。矿井电法测深为电法的重要分支，是研究深度方向地层电性变化特征而获得地质信息的一种物探方法。它在同一观测点逐次增大供电电极距，使电流穿透的深度由小变大，从而观测到测点处沿深度方向由浅到深地层的电性变化特征，主要用于研究电性分层和水文地质问题。受空间限制，矿井电法一般在巷道中进行，供电电流通过布置在巷道内的电极（供电电极）在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场，该稳定场特征取决于巷道周围岩石的电性特征、各种地质构造的分布和地质异常体的赋存状态，通过观测和研究分析该稳定场的分布特征，对物探资料进行推断解译，达到探测地质体的目的。

此次电测深剖面成果分析解释共圈定6 处底板异常区域，如图7、图8 所示。

图7 1-1051 巷底板方向测深探测视电阻率等值线图Fig.7 Apparent resistivity contour diagram of No.1-1051 roadway floor direction exploring depth detection

图8 1-1052 巷底板方向测深探测视电阻率等值线图Fig.8 Apparent resistivity contour diagram of No.1-1052 roadway floor direction exploring depth detection

5.2 电测深剖面异常区解释

（1）在沿1-1051 巷底板方向探测时，相对视电阻率值总体变化较大，此次探测圈定2 处明显的低阻异常区，分别编号为Z1、Z2。

Z1 异常区位于43～46 号测点间底板0～56 m范围内，预计该异常区受F52 H=4 m∠45°断层影响所致，构造垂向裂隙发育，含裂隙水。

Z2 异常区位于6～12 号测点间底板0～30 m范围内，预计该异常区为F50 H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5 m∠80°断层延伸至1051 巷底板或其它隐伏构造垂向裂隙发育，含裂隙水。

（2）在沿1-1052 巷底板方向探测时，相对视电阻率值总体变化相对较大，此次探测圈定4 处明显的低阻异常区，分别编号为Z3、Z4、Z5、Z6。

Z3 异常区位于46～50 号测点间底板20～50 m范围内。

Z4 异常区位于35～43 号测点间底板10～50 m范围内，预计异常区范围构造垂向裂隙发育，含裂隙水。

Z5 异常区位于27～34 号测点间底板5～56 m范围内，预计该异常区受F52 H=5 m∠55°断层影响所致，构造垂向裂隙发育，含裂隙水。

Z6 异常区位于5～11 号测点间底板0～56 m范围内，预计该异常区受F50 H=1.2 m∠80°、F51 H=1.5 m∠80°断层影响所致，预计异常区范围内构造垂向裂隙发育，含裂隙水。

5.3 电测深切片成果解释

（1）1-105 工作面底板下30 m 视电阻率切片图中相对视电阻率值总体变化相对较大，此次探测圈定4 处明显的低阻异常区。分别编号为Z1、Z3-4（30 m 深度切片Z3、Z4 合并）、Z5、Z2-6（30 m 深度切片Z2、Z6 合并），如图9 所示。

图9 1-105 工作面底板下30 m视电阻率低阻异常切片图Fig.9 Slice diagram of apparent resistivity lowresistivity abnormity at 30 m belowthe floor of No.1-105 face

（2）1-105 工作面底板下40 m 视电阻率切片图中相对视电阻率值总体变化相对较大，此次探测圈定3 处明显的低阻异常区。分别编号为Z1-3-4（40 m 深度切片Z1、Z3、Z4 合并）、Z5、Z2-6（40 m 深度切片Z2、Z6 合并），如图10 所示。

图10 1-105 工作面底板下40 m视电阻率低阻异常切片图Fig.10 Slice diagram of apparent resistivity lowresistivity abnormity at 40 m belowthe floor of No.1-105 face

（3）1-105 工作面底板下50 m 视电阻率切片图中相对视电阻率值总体变化相对较大，探测圈定1 处明显的低阻异常区，编号为Z1-2-3-4-5-6（50 m 深度切片Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6 合并），如图11 所示。

图11 1-105 工作面底板下50m视电阻率低阻异常切片图Fig.11 Slice diagram of apparent resistivity lowresistivity abnormity at 50 m belowthe floor of No.1-105 face

6 综合成果分析

综合分析成果如图12 所示，图中坑透用E 表示，瞬变用S 表示，音频用Y 表示，直流电测深用Z 表示。

图12 综合分析成果Fig.12 Comprehensive analysis results

对图12 进行优化，分为煤层内部构造异常和底板富水性综合异常。煤层内部异常区用坑透成果表示；底板富水性综合异常是将富水性探测成果中重叠区域进行合并、优化后圈定，用D 表示，如图12 所示。

7 结语

通过亿隆煤业1-105 工作面综合物探实验成果，表明采用综合物探能够很好的圈定复杂地质条件下回采工作面内部隐伏地质构造的赋存情况，尤其是多种物探手段的重叠异常区域范围，能够合理指导矿井后期钻探工作，保障矿方安全生产。多手段物探成果也可以相互对比印证，排除干扰异常范围，使得物探成果准确率更高，异常范围“靶区”更为精准。同时需对重叠异常区进行后期收集验证，进而有效总结物探规律，为下一步更好的圈定异常区总结经验。