综合物探技术在大宽面上覆基岩防治水中的应用

高凯斌

(神东煤炭集团地测公司,内蒙古 鄂尔多斯 017205)

0 引言

煤矿防治水工作是煤矿安全生产中不可或缺的一环,做好矿井防治水工作能够有效的预防和减少煤矿突水事故的发生,保障井下职工安全,降低井下器材损耗,为生命安全和财产损失提供了重要保障[1]。近年来,随着煤矿防治水细则的不断完善,物探工作成为煤矿防治水中极为重要的一项工程,结合各种物探方法的优缺点,电磁法在矿井物探工作中得到广泛的使用,其优点是在煤矿开采中能够最大可能的减小机械化矿井中的各种干扰,提高探测准确度。矿井工作面探测以坑道无线电波透视法、音频电穿透法最为普遍。坑道无线电波透视法通过增加发射线框的面积和匝数,降低发射频率,保证有效穿透大宽面工作面;音频电穿透法采用优化施工布置,增加发射电流,增加接收电极MN极距,保证有效接收感应信号。通过对这2种物探方法的综合对比分析,提高物探工作的准确性,以期达到大宽面工作面回采前的水害预防。

1 方法介绍

随着煤矿生产速度的日益加快,矿井深度不断加深,地质构造条件愈加复杂,采空区范围逐渐增多,在保证煤矿安全生产的前提下,采用回采工作面矿井物探技术[2]。选取坑道无线电波透视法和音频电穿透法2种方法相结合的综合物探方法,通过2种方法相互验证在宽度300 m以上工作面顶板基岩含水层防治水中的应用。

1.1 坑道无线电波透视法

坑道无线电波透视法又称坑透法,是指电磁波在煤层或岩层传播的过程中,如果存在一些地质异常体,由于异常体的电阻率值和介电常数与煤层或岩层存在显著差异,使得它们对电磁波的能量吸收强度不同,低阻体对电磁波的吸收较强[3-5]。当电磁波前进过程中遇到一些构造界面时,电磁波将发生反射和折射作用,使得部分电磁波能量被吸收,电磁波能量最终被损耗。因此,巷道发射出的电磁波在煤层中传播时遇到断层、陷落柱、导水裂隙带或煤层厚度发生显著变化时,电磁波能量将被完全屏蔽或吸收,同时在工作面另一端的接收巷道接收到的数据十分微弱或根本接收不到数据,从而产生一种透视异常区[6]。坑道无线电波透视法工作原理如图1所示。

图1 坑道无线电波透视法工作原理示意Fig.1 Working principle of tunnel radio wave perspective method

1.2 音频电穿透法

音频电穿透法属于交变电磁场法技术,是以岩矿石(包括水)的导电性、导磁性以及介电性差异为基础,通过对上述物理场时间和空间分布特征的研究来确定查明隐伏地质体或地下水的目的。音频电穿透属于其地下层状全空间电场分布,属体积勘探,主要用于探测煤层顶板或底板上下一定深度范围内的富水异常体。矿井音频电穿透法基础是一种全空间电场理论[7-8]。由于煤层与顶底板岩层有较大的电性差异,顶底板岩层与煤层相比为高阻层[9]。因此可用井下3层地电模型来模拟上述电性组合特征,如图2所示。

图2 井下3层地电模型示意Fig.2 Underground three layers’ geoelectrical model

2 工程应用

2.1 工程概况

以寸草塔二矿22122工作面为例,矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内,距伊金霍洛旗约27 km。矿区长约5.15 km,宽约4.55 km,面积约16.5 km2。22122工作面顶部为上覆基岩含水层和第四系松散层含水层,在工作面回采过程中产生裂隙松动或工作面内部存在地质构造形成导水裂隙带,含水层水可能通过基岩裂隙或地质构造进入工作面,对工作面回采造成威胁。本次物探工程布置在22122工作面,通过坑道无线电波透视法和音频电穿透法2种相结合的综合物探技术对比分析,为22122工作面下一步的回采提供有力保障。22122工作面煤层较为稳定,厚度0.9～2.2 m,平均1.6 m。顺槽开口至590 m段,在巷道上部出现1层夹矸,开口590 m至切眼段,在巷道下部出现1层夹矸,属结构简单煤层。从煤层总体来看,煤层厚度有一定的变化但规律性较明显,属于较稳定煤层。22122工作面顶部含水层有2层。一是上覆基岩含水层,厚度约0～30 m,单位涌水量q为0.181 L/(s·m),富水性中等。水质类型为HCO3—SO4～Ca+Mg型水,矿化度为0.319,pH为8.0。二是第四系松散层含水层,上部岩性为砂砾层及中细砂岩层,下部为砂砾与粗砂层,厚度约0～28 m,平均为12 m,含水部分主要为下部粗砂及砂砾层。单位涌水量q为0.009 5 L/(s·m),渗透系数0.098 7 m/d,富水性弱,该层厚度变化较大。水质类型为HCO3—Ca型水,矿化度低。因此,上覆基岩含水层为回采工作面防治水工作的重点。

2.2 工程布置

根据工作面水文地质资料显示,影响工作面回采的水患主要来自工作面上部垂向含水层,因此用坑道无线电波透视法在工作面两巷道进行定点法扫描,探查工作面内部构造发育情况,用音频电穿透法探查工作面上覆岩层的含水情况及工作面内部构造充水情况。

2.2.1 坑道无线电波透视

坑道无线电波透视法探测是从22122工作面切眼到回撤通道方向进行,采用定点法施工,发射点距50 m,接收点距10 m,每个发射点对应接收前后50 m数据。2条巷道交错施工,探测长度为840 m,如图3所示。

图3 坑道无线电波透视法工作面设计方案Fig.3 Working face design scheme with tunnel radio wave perspective

2.2.2 音频电穿透

本次音频电穿透布置在寸草塔二矿22122工作面,工作面长840 m,宽为340 m。运输顺槽、回风顺槽均进行施工,音频电穿透法发射点距为50 m,接收点距10 m,采用单频点施工,频率为120 Hz。每个发射电极对应20个接收点,接收发射点对应200 m范围数据。每条巷道布置测量点共85个,检测点10个,2条巷道共计190个测点,如图4所示。

图4 音频电穿透法施工布置示意Fig.4 Construction layout with audio electrical penetration

3 井下施工

3.1 仪器概况

本次综合探测采用2种仪器,其中坑道无线电波透视法探测采用YDT-88型仪器,此仪器由福州华虹厂家生产,为便携式、本质安全型防爆。该型仪器采用双频率、小功率、低功耗、微机控制、自动记录、内存储,数据由微机自动处理成图的技术方案。音频电穿透法探测仪器为煤炭科学研究总院西安研究院研制的YT120(A)型防爆音频电穿透仪,是一种应用于矿井条件下水文地质条件探查的专用仪器,采用本质安全型防爆形式、供电机具快速过流保护功能、测量精度高、抗干扰能力强。

3.2 数据采集

为增加电磁波的有效穿透性,坑道无线电波透视法采用大分辨率定点法探测[10-11],发射频率88 K,抛弃原有2 m×2 m发射线框,采用特制3 m×3 m发射线框,增加发射线框匝数。每100 m采样时间2 min,搬站时间1 min。自工作面切眼开始依次向回撤通道方向接收。对应巷道的一定区段进行扇形扫描接收,探查工作面内煤层中断层、陷落柱及煤层变薄带的延展范围。

音频电穿透法采用固定发射电极AB,移动测量电极MN法施工,发射巷道50 m布置1个发射电极,共布置17个发射电极。沿发射巷道方向向外延伸800 m放置无穷远电极1个,接收点对应垂直巷道方向布置接收电极2个。通过井下手摇有线电话进行沟通,依次进行发射和接收,记录人员记录每个点位发射和接收对应的电流和电压值。接收机采集供电点对应前后100 m范围内的数据。主要探测工作面顶板上方0～60 m深度层段基岩含水层异常区的形态、平面位置及含水性的相对强弱。

4 物探成果分析

4.1 探测工作面环境分析

本次物探施工工作面未进行回采准备作业工作,工作面基础供电设施较少,工作面两巷道共发现水泵4处,现场施工时都处于关闭状态。工作面煤质较差,两侧片帮较严重,巷道顶板及两侧帮锚网等铁器可能对电磁波信号产生干扰。坑道无线电波透视法接收数据差值较大,背景值为3 dB左右,排除各项干扰因素,此次坑道无线电波透视法和音频电穿透法数据均为可靠有效数据,如图5所示。

图5 坑道无线电波透视法实测场强曲线Fig.5 Measured field intensity curve by tunnel radio wave perspective

4.2 坑道无线电波透视法成果分析

本次坑道无线电波透视法数据采用CT成像成果解释,利用ART算法和SIRT算法得到各单元吸收系数值大小,通过反演计算绘制成像区吸收系数等值线图[12]。结合工作面地质资料分析,坑道无线电波透视法共圈定出4处异常区,分别编号为DC1、DC2、DC3、DC4号异常,如图6所示。

图6 无线电波透视法成果图Fig.6 Achievements of radio wave perspective method

根据无线电波透视法成果图并结合地质资料对4处异常区段进行综合推断分析。可知,DC1号异常区范围较大,幅值相对较强,对电磁波造成能量的损耗较大,致使主运顺槽接收的电磁波信号十分微弱甚至接收不到透射信号,结合已知的地质剖面图判断在工作面切眼内160 m处标志层出现缺失,推测是未揭露断层引起的异常。DC2号异常区范围较大,幅值相对较强,探测至此处时电磁波信号发生明显变化,结合两顺槽地质剖面图推断,在切眼开始辅运顺槽500 m左右巷道起伏明显,煤层变薄夹矸增厚,在主运顺槽600 m左右夹矸消失,而辅运顺槽相同的位置却无夹矸出现,推测异常区为断层引起的异常。DC3号异常区范围较大,幅值相对较强,对电磁波造成能量的损耗较大,结合已知的地质剖面图判断,推测异常区是已揭露断层向工作面内部延伸引起的。DC4号异常区范围较小,幅值较强,数据接收至此处时由于受DC1号异常区影响,使得原本比较微弱的电磁波信号直接消失。结合已知的地质剖面图判断,推测是已揭露断层向工作面内部延伸引起的异常。

4.3 音频电穿透透视法成果分析

音频电穿透法可以探测22122工作面顶板上0～60 m附近层段内岩层有5处异常区,分别编号为YC1、YC2、YC3、YC4、YC5号异常,如图7所示。

图7 音频电穿透法0～60 m成果图Fig.7 Results of 0～60 m with audio electrical penetration

分析异常可知,YC1位于0～10号测量点(距离22122工作面切眼0～100 m)附近,幅值较强,分析可能为基岩局部含水。YC2位于12～17号测量点(距离22122工作面切眼124～170 m)附近,幅值较强,分析可能为基岩局部含水。YC3位于28～48号测量点(距离22122工作面切眼280～480 m)附近,幅值较强,分析可能为基岩局部含水。YC4位于52～63号测量点(距离22122工作面切眼520～630 m)附近,幅值较强,分析可能为断层产生导水裂隙带。YC5位于66～84号测量点(距离22122工作面切眼667～840 m)附近,幅值较强,分析可能为基岩局部含水。

4.4 综合成果分析

结合无线电波透视和音频电穿透成果综合分析可知,无线电波透视法DC2号异常与音频电穿透法YC4号异常有明显对应关系,无线电波透视法DC4号异常与音频电穿透法YC5号异常局部存在对应关系。通过综合对比分析,推测异常区为断层产生导水通道。为验证音频电穿透法成果准确性,后期对异常区进行钻探验证,在异常区范围内布置钻孔10个,钻孔均出水,验证了音频电穿透与坑道无线电波透视法探测的准确性。

5 结论

工作面宽度越大,回采工作中产生的不可控因素越多。坑道无线电波透视法和音频电穿透法的综合应用极大提高了大宽面回采安全性,通过音频电穿透法探测确定工作面上覆基岩含水层的范围及平面位置;通过坑道无线电波透视法可以探测确定工作面内部大型地质体形态、分布范围。2种方法的综合应用不仅可排除一些假异常体的干扰,同时能够做到相互验证,为回采工作面防治水提供可靠保障。