电磁-无线-钻探协同技术在工作面水害探查中的应用

秦胜君,徐安全,王心兵

(1.北京探创资源科技股份有限公司,北京 110000; 2.山东省国土空间生态修复中心,山东 济南 250000)

工作面水害是煤矿开采过程中常见的问题之一,水文地质条件是导致水害隐患形成和发展的根本原因[1-2]. 精准刻画水文地质条件可以有效提高水害隐患探测的准确性,不仅能明确水害隐患的类型、形成机理和演化趋势,而且能指导针对性防治措施的制定和实施[3]. 因此,寻求一种可靠的方法进行水害隐患探测与预测显得尤为重要。

钻探是一种传统的水害隐患探测方法,通过钻孔探测进行定性和定量分析,以评估水害隐患的范围和严重程度[4]. 相比于传统的探测方法,瞬变电磁探测技术具有非侵入性、高精度、高效率和数据量大等优点[5];无线电波坑道透视法无需进行地下钻探,避免了大量的人力和物力消耗,并且可以在较短时间内获取更多的信息[6]. 以上技术在实际应用中仍存在一定的问题,例如精度、复杂度和耗时等[7]. 因此,提出了一种电磁-无线-钻探协同探查技术。以长城一矿4902S工作面为工程背景,融合瞬变电磁法、无线电波坑道透视法及钻探等方法,探测4902S工作面煤岩层的富水性情况,以及工作面内断层、隐伏断层及可能存在的其它地质异常体等情况。

1 工作面概况

4902S工作面开采9号煤,是四采区的首采工作面。煤层平均倾角40°,工作面平均高程约850 m、平均采深约390 m、平均采高3.7 m,9号煤底板整体呈北高、南低状态展布,见图1(a);9号煤煤厚整体呈北薄、南厚趋势展布,见图1(b). 9号煤覆岩以砂岩-泥质岩类互层结构为主,采用插值方法获取工作面覆岩内砂岩与泥质岩类厚度比分布特征,见图1(c).

图1 4902S工作面地层条件特征

2 电磁-无线-钻探协同探查测点布置方法

2.1 瞬变电磁法探测点布置

瞬变电磁法勘探共布置3条测线,物理测点229个,采集数据点1832个,测点布置示意图见图2,工作量见表1,分别对工作面内帮顶板的90°、60°、30°,同层底板的30°、60°以及工作面外帮顶板的60°、30°这8个方向上的每个物理点进行探测(图3).

表1 勘探工作量统计

图2 测点布置示意

图3 探测方向示意图

2.2 无线电波坑道透视法探测点布置

在瞬变电磁法勘探基础上,开展无线电波坑道透视定点法进行探测,4902S回风巷探测起点位于切眼处,向停采线方向布置测线1000 m,发射点21个,点距50 m,对应4902S运输巷接收点210个,点距10 m;4902S运输巷探测起点位于切眼处,向停采线方向布置测线1000 m,发射点21个,点距50 m,对应4902S回风巷接收点210个,点距10 m.

2.3 钻孔探测点布置

为进一步探明4902S工作面水害情况,井下施工4个钻孔,分别在4902S运输巷S33点以南50 m处施工1#孔,26 m处施工2#和3#孔,在4902S回风巷R8点以南58 m施工4#钻孔。1#和2#钻孔主要是探查工作面顶板岩层富水性,3#、4#钻孔是针对Ⅰ号相对低阻异常区的探水钻孔。具体钻探参数见表2.

表2 4902S工作面探水钻孔参数

3 工作面水害的协同探查异常区划分

3.1 瞬变电磁法探测异常区划分

瞬变电磁法探测所得回风巷视电阻率等值线断面见图4. 顶板90°探测方向异常区2处(H1-1、H1-2);工作面内帮顶板60°方向异常区2处(H2-1、H2-2);内帮顶板30°方向异常区2处(H3-1、H3-2);内帮顺层方向异常区1处(H4-1);内帮底板30°方向异常区1处(H5-1);内帮底板60°方向异常区1处(H6-1);外帮顶板60°方向异常区1处(H7-1);工作面外帮顶板30°方向异常区1处(H8-1).

图4 4902S回风巷视电阻率等值线断面

4902S运输巷视电阻率等值线断面见图5. 顶板90°探测方向划分异常区2处(J1-1、J1-2);工作面内帮顶板60°方向异常区1处(J2-1);内帮顶板30°方向异常区2处(J3-1、J3-2);内帮方向顺层异常区2处(J4-1、J4-2);内帮底板30°方向异常区2处(J5-1、J5-2);内帮底板60°方向异常区2处(J6-1、J6-2);工作面外帮顶板60°方向异常区2处(J7-1、J7-2);外帮顶板30°方向异常区2处(J8-1、J8-2).

图5 4902S运输巷视电阻率等值线断面

4902S切眼视电阻率等值线断面见图6. 顶板90°探测方向划分异常区1处(Q1);内帮顶板60°方向异常区1处(Q2);内帮顶板30°方向异常区1处(Q3);内帮顺层方向异常区1处(Q4);内帮底板30°方向异常区1处(Q5);内帮底板60°方向异常区1处(Q6);外帮顶板60°方向异常区1处(Q7);工作面外帮顶板30°方向异常区1处(Q8).

图6 4902S切眼视电阻率等值线断面

3.2 无线电波坑道透视法层析成像分析

通过对4902S坑道透视数据的处理分析,得出工作面初始场强28 dB,吸收系数-0.46 dB/m. 根据所选定参数进行回归分析,经过数据分析处理,得出衰减层析成像色块图,见图7,该次探测在4902S共发现阴影异常3处,命名为①、②、③异常区。

图7 4902S无线电波坑道透视衰减层析成像色块

4 工作面水害的协同探查结果

4.1 瞬变电磁法探测结果

4902S回风巷异常区分析:H1-1、H2-1、H3-1、

H4-1、H5-1、H6-1、H7-1、H8-1异常区位置相近,均位于4902S回风巷400～600 m(切眼为0). 根据ZK2001钻孔资料,煤层顶板存在15 m厚的灰白色中砂岩层,煤层底板为砂质泥岩,因此推断该异常为工作面顶板砂岩含水层影响引起,划为Ⅰ号相对低阻异常区,发育高度10～50 m;H1-2、H2-2、H3-2异常区位置相近,均位于4902S回风巷680～700 m,主要位于工作面内侧顶板探测方向690 m处。

4902S运输巷异常区分析:J1-1、J2-1、J3-1、J4-1、J5-1、J6-1、J7-1、J8-1异常区位置相近,主要位于4902S运输巷0～120 m,8个探测方向均有异常反应,该异常区异常范围较大,异常明显;J1-2、J3-2、J4-2、J5-2、J6-2、J7-2、J8-2异常区位置相近,均位于4902S运输巷610～690 m,7个探测方向有异常反应,顶板60°探测方向有低阻趋势,该异常主体呈狭长条带状,分布范围较小,异常明显。

4902S切眼异常区分析:Q1—Q8异常区位置相近,均位于工作面切眼10～30 m(切眼下端头为0),主要位于20 m处,工作面内外顶底板8个探测方向均有异常反应。

综上,该次瞬变电磁勘探划分相对低阻异常区1处(图8). Ⅰ号相对低阻异常区,位于4902S回风巷400～600 m,发育高度10～50 m. 推断该异常为工作面顶板砂岩含水层影响引起。

图8 4902S工作面瞬变电磁成果

4.2 无线电波坑道透视法探测结果

①号异常区位于工作面北部,4902S回风巷700～870 m、4902S运输巷750～910 m,两顺槽掘进期间揭露4条断层,分别为正断层195°∠63°H=4.5 m、逆断层24°∠35°H=4.5 m、正断层131°∠70°H=1 m、正断层233°∠60°H=4.5 m,推断该处衰减异常为断层构造导致,命名为Ⅰ号煤岩层破碎区。

②号异常区位于工作面中部,4902S回风巷440～470 m、4902S运输巷500～530 m,探测施工时4902S运输巷500～520 m段巷道全岩,520 m处揭露1条正断层,352°∠58°H=6 m,推断该处衰减异常为断层影响造成,推断其在工作面内延展长度为200 m,对工作面回采影响较大。

③号异常区位于工作面南部,靠近4902S回风巷40～130 m,该范围内巷道实际掘进未揭露断层,在工作面切眼上端头附近揭露2条断层,分别为正断层185°∠40°H=2.3 m、正断层202°∠50°,推断该异常为工作面内小断层影响引起,推断其在工作面内延展长度为92 m.

4902S工作面无线电波坑道透视勘探成果分析断层2条、煤岩层破碎区1处(图9).

图9 4902S无线电波坑道透视成果

4.3 钻孔探测结果

4个钻孔出水量较小,其中1#、2#和4#钻孔出水量<1 m3/h,3#钻孔最大出水量3 m3/h,稳定2 m3/h,说明前期圈定的低阻异常区是合理的。综合分析4902S工作面物探和钻探成果可以得出:4902S工作面顶板含水层为弱富水或极弱富水。

5 协同探查技术综合评价

该次评价主要集中在电磁-无线-钻探协同探查矿山水害隐患工作。

通过对瞬变电磁探测数据的处理,绘制出了4902S回风巷、运输巷及切眼不同探测方向的视电阻率等值线断面图,识别出一处相对低阻异常区,即Ⅰ号相对低阻异常区,位于4902S回风巷400～600 m,高度在10～50 m.

结合无线电波坑道透视衰减层析成像色块图的结果,判定工作面内北部存在一处Ⅰ号煤岩层破碎区,工作面中部存在一条落差为6 m的正断层,推断其在工作面内的延伸长度为200 m,对工作面回采会产生较大影响;工作面南部有两条落差不等的正断层,推断其在工作面内的延伸长度为92 m.

基于瞬变电磁法及无线电波坑道透视法探测成果,施工了3#和4#钻探验证及疏放工作。结果表明前期圈定的物探低阻异常区的边界定位比较准确,证实了协同探查的分析方法和结果的可靠性。

6 结 论

采用电磁-无线-钻探协同探查技术,深入探究长城一矿4902S工作面水害隐患问题,成功地识别和定位了工作面的水害隐患,提高了水害探查的准确性和可靠性,丰富了电磁-无线-钻探协同探查技术在矿山工作中的应用。