开元矿业采煤工作面地质构造探查物探方法研究

李敬鹏

（阳煤集团 寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045000）

1 概 况

煤矿采掘活动是一个复杂的过程，涉及到很多方面，井田内开拓、掘进、工作面回采期间揭露地质构造纵横交错，直接影响煤矿采掘的进程和效率，对煤矿采掘生产影响重大。因此，煤矿在生产过程中要充分考虑地质构造因素，在工作面设计及回采前提前查清其内部隐伏构造，为工作面的布置及回采措施的制定提供可靠的技术依据。

开元矿业位于寿阳县城西北约14 km 处，行政区划属于寿阳县平舒镇和南燕竹乡管辖，井田面积约28 km2，井田形状近似长方形，南北长约5.5 km，东西宽约5.0 km，如图1 所示。开元矿业主采煤层为3、9、15、15下号煤层，本文以该矿9101 工作面和9403 工作面为例，采用无线电波坑透和槽波地震探测技术查明两回采工作面内地质构造的分布情况。

图1 开元矿地理位置Fig.1 Geographical location of Kaiyuan mine

2 方法介绍

2.1 无线电波坑道透视

无线电波坑道透视是一种电磁波探测方法，通过研究高频电磁波在岩石中传播规律，从而揭示地下构造的一种物探方法。电磁波在地下传播时，因各种岩石有电性差异，对电磁波能量吸收不同，电阻率低的岩石的吸收作用大。当地下出现各种构造如断层、陷落柱时，它们对电磁波还具有反射和折射的作用，也会造成电磁波能量的损耗。

研究煤层与各种岩石及地质构造对电磁波传播的影响所造成的各种异常，从而进行地质推断解释，是无线电波坑道透视的物理基础，如图2所示。

图2 无线电波坑道透视发射接收示意图Fig.2 Diagram of radio wave tunnel perspective transmitting and receiving

2.2 槽波地震

槽波地震是利用在煤层中激发和传播的导波以探查煤层不连续性的一种物探方法。由于煤的密度和弹性波传播速度一般小于煤层顶、底板的速度，所以在煤层内激发的槽波大部分能量不能向煤层外部传播，总是在煤层顶板和底板之间反射和叠加，从而形成了槽波，如图3、图4 所示。常用的槽波地震透射法其最大探测距离约为煤层厚度的300 倍。

图3 透射法探测原理平面示意图Fig.3 Plane of transmission method detection principle

图4 透射法探测原理剖面示意图Fig.4 Profile of transmission method detection principle

3 地质构造探查

3.1 9101 工作面无线电波坑道透视

开元矿9101 工作面为9 号煤综采工作面，设计走向长400 m，倾斜长150 m，煤层平均厚度约3.4 m，中间含1 层夹矸0.5 m。因工作面较窄，约150 m，采用无线电波坑道透视对工作面内影响幅度大于煤厚的地质构造进行探测，方法选择经济实用，满足实际需求。

9101 工作面坑透工作采用WKT-E 型无线电波坑道透视仪，发射频率选用0.3 MHz。探测范围为9101 整个工作面，设计测线长390 m，沿上巷布置发射点9 个、下巷布置发射点7 个，共计16 个。发射点间距约50 m（根据巷道条件适当调整），每个发射点接收15 个点，接收点间距10 m，接收点共计约240 个。

无线电波坑道透视采用实测场强分析法进行处理，这是无线电波坑道透视最基础的处理方法，原始数据通过录入及预处理采用专门的软件绘制出实测场强解析曲线图，通过对比分析实测场强曲线衰减规律，确定异常的位置和范围，再结合已知的地质资料进行综合分析。

图5 为9101 工作面无线电波坑道透视实测场强解析曲线图，图中横坐标为接收点的位置，纵坐标为实测的场强值。根据此次实测场强信号的强弱，在探测区域内圈定1 处地质构造异常区（K1），如图6 所示。

图5 无线电波坑道透视实测场强解析曲线Fig.5 Analytical curve of field strength measured by radio wave tunnel perspective

图6 无线电波坑道透视圈定异常位置Fig.6 Delineation of abnormal location by radio wave tunnel perspective

K1 异常区位于工作面2～18 号点区域内，该区域内下巷0、6、12 号发射点和上巷0、5、10 号发射点接收数值整体偏低。结合曲线形态及巷道揭露情况分析，在K1 范围内K1-1 和K1-2 为巷道揭露断层在工作面内的延伸反应，K1-3 为一隐伏地质构造，结合其曲线形态推测为陷落柱。

9101 工作面回采后，工作面实际揭露情况如图7 所示。通过对比可知，无线电波坑道透视所圈定地质构造异常区与实际揭露情况一致。

图7 9101 工作面回采实际揭露情况Fig.7 Actual exposure of No.9101 Face mining

3.2 9403 工作面槽波地震

开元矿9403 工作面为9 号煤综放工作面，设计走向长700 m，倾斜长177 m，煤层平均厚度约4 m，中间含1 层夹矸0.15 m。因工作面较宽，约180 m，采用无线电波坑道透视无法穿透工作面接收到有效数据，因此决定采用槽波地震透射法对9403 工作面的地质构造进行探测。

根据探测目的，9403 工作面槽波地震探测沿上巷（0～70 号区域） 里帮布设炮点，炮间距20 m，布设35 炮，编号S1～S35；沿下巷（0～70 号区域） 里帮布设检波点，道间距20 m，布设35 个检波点，编号G1～G35，测线长度共计700 m。

槽波地震采用正演模拟系统，利用槽波的多种信息，通过多种参数综合分析，形成有针对性的处理解释手段，从而有效地识别地质构造异常体。煤层中的异常体在资料中有多种反映，通过绘制槽波地震CT 解析图并结合工作面的相关地质资料，采用物探、地质解释方法的联合对地质异常体进行合理推断，准确地圈定异常区位置及范围。

此次槽波解释以槽波水平叠加为依据，结合巷道内已经揭露的地质情况进行分析，图8 为9403工作面槽波地震探测CT 解析成果图，探测区域内图中颜色代表能量值大小。根据图8，槽波地震在探测范围内存在6 处地质构造异常区，记为C1～C6，如图9 所示，此6 处异常推断为陷落柱。

图8 9403 工作面槽波地震CT 解析图Fig.8 In-seam wave seismic CT analysis of No.9403 Face

图9 9403 工作面槽波地震工作布置及成果Fig.9 In-seam wave seismic working arrangement and results of No.9403 Face

9403 工作面回采后，工作面实际揭露情况如图10 所示。通过对比可知，槽波地震所圈定地质构造异常区（C1 ～C5） 与实际揭露情况基本一致。

图10 9403 工作面回采实际揭露图Fig.10 Actual exposure of No.9403 Face mining

4 结 论

（1） 地质构造是影响煤矿工作面回采的一项重要因素，在工作面回采前有必要提前查清其内部构造。无线电波坑道透视是一种在煤矿被广泛认可的可靠的物探手段，也是应用最为广泛的地质构造探测手段，其设备轻便、施工效率高、成本低。随着大型工作面（采宽在150 m 以上） 在煤矿被越来越多的设计和布置，无线电波坑道透视由于受生产及客观条件的限制，探测精度往往不尽人意，甚至不能达到探测目的。而槽波地震是地质探测中最具发展潜力的探测技术，近年来日趋成熟，已成为探测小断层、陷落柱等地质异常体精度最高的技术。在煤矿实际生产中,无线电波坑道透视和槽波地震技术的应用为煤矿地质异常探测提供了更多的探测手段和技术方法，同时对煤矿的安全生产也具有重要意义。

（2） 以开元矿业9101 工作面和9403 工作面为探查对象，根据2 个工作面的实际情况，分别采用无线电波坑道透视和槽波地震两种物探方法准确地探查出了断层和陷落柱等地质构造，及时指导了工作面的布置及回采，保证了工作面安全高效开采。