曾 泰

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 泰山隆安煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036600)

某公司井田位于河?xùn)|煤田北部邊緣,構(gòu)造形態(tài)整體為向西緩傾的單斜構(gòu)造,地層產(chǎn)狀平緩,近南北走向,傾向260°,傾角2°～8°。井田內(nèi)無(wú)大型地質(zhì)構(gòu)造、巖漿巖侵入、陷落柱等其他構(gòu)造,奧灰水水位標(biāo)高+841.59 m。目前開(kāi)采的11301工作面開(kāi)采標(biāo)高+890 m～+942 m,采區(qū)周邊小窯和老窯采空區(qū)已基本查明;煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度3 m～12 m;基本頂為中砂巖、細(xì)砂巖,厚度5 m～16 m[1]。

為提前掌握掘進(jìn)工作面前方老空水患情況,擬采用YDZ(A)型防爆數(shù)字直流電法儀和TEMHZ75型礦用瞬變電磁儀對(duì)11301掘進(jìn)工作面進(jìn)行超前物探。

1 瞬變電磁儀及直流電法儀工作原理

1.1 瞬變電磁儀的工作原理

瞬變電磁法通過(guò)不接地發(fā)射線圈向被測(cè)地質(zhì)體發(fā)射脈沖式電場(chǎng)作為一次場(chǎng)源,激發(fā)被測(cè)地質(zhì)體產(chǎn)生二次場(chǎng),在發(fā)射脈沖的間隙通過(guò)接收線圈接收二次場(chǎng)產(chǎn)生的響應(yīng);通過(guò)接收二次場(chǎng)響應(yīng)數(shù)據(jù)分析地質(zhì)體異常差異,通過(guò)不同地質(zhì)體的差異來(lái)確定低阻異常區(qū)的范圍及異常程度[2]。

1.2 直流電法儀的工作原理

直流電法勘探工作原理是通過(guò)不同巖性的電性差異,在巷道內(nèi)布置供電電極,使得電流在巷道周?chē)鷰r層中建立整體空間的穩(wěn)定電場(chǎng)。電流通過(guò)不同的巖層及地質(zhì)構(gòu)造時(shí),電流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)研究這種電流場(chǎng)的變化規(guī)律,來(lái)確定地下不同礦體及地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和規(guī)模。

YDZ(A)型防爆數(shù)字直流電法儀由一組鋰電池、逆變電路、發(fā)射電路、接收電路及其他顯示存儲(chǔ)等部分共同組成。輸出的直流電壓經(jīng)逆變升壓電路產(chǎn)生70 V或100 V的高壓,經(jīng)轉(zhuǎn)化后,通過(guò)固定電極(A1、A2、A3)供入大地;同時(shí)通過(guò)移動(dòng)電極(M、N)接收感應(yīng)信號(hào),然后將信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字存入存儲(chǔ)設(shè)備中,最后通過(guò)串口完成數(shù)據(jù)交換。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

11301工作面位于井田中南部,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,存在小型斷層,落差1.0 m～3.5 m;無(wú)其他地質(zhì)構(gòu)造。工作面走向長(zhǎng)1 297 m,傾向長(zhǎng)240 m;開(kāi)采標(biāo)高+887 m～+942 m;工作面東部為某鎮(zhèn)辦煤礦老空積水區(qū),老空積水區(qū)邊界未實(shí)測(cè),僅根據(jù)舊小窯少量資料及走訪調(diào)查圈定;南部為民采廢棄小窯破壞區(qū),無(wú)積水;西部為實(shí)體煤,北部為11#煤采區(qū)下山大巷,上覆為8#煤采空區(qū),層間距平均35 m。

為了確保11301工作面東部回風(fēng)順槽安全掘進(jìn),從距順槽開(kāi)口650 m開(kāi)始,采用瞬變電磁與直流電法相結(jié)合進(jìn)行超前探測(cè),650 m～1 175 m均未發(fā)現(xiàn)物探異常區(qū);距巷道開(kāi)口1 175 m(FW20向正西70 m)時(shí)通過(guò)瞬變電磁與直流電法超前探測(cè)發(fā)現(xiàn)前方100 m范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū);瞬變電磁探測(cè)到左側(cè)橫軸20 m～70 m,縱軸30 m～80 m交匯處為低阻異常區(qū),直流電法探測(cè)到迎頭正前方64 m～68 m為低阻異常區(qū)。

2.2 11301回風(fēng)順槽物探設(shè)計(jì)

2.2.111301回風(fēng)順槽瞬變電磁物探設(shè)計(jì)

為探測(cè)掘進(jìn)頭正前方及左前方老空積水及含水構(gòu)造形態(tài)分布情況;同時(shí)為測(cè)區(qū)內(nèi)驗(yàn)證性探放水設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。本次探測(cè)范圍為距11301回風(fēng)順槽開(kāi)口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍。圖1為11301回風(fēng)順槽瞬變電磁探測(cè)布置圖。

圖1 11301回風(fēng)順槽瞬變電磁探測(cè)布置圖Fig.1 Transient electromagnetic detection in 11301 return-air gateway

本次采用2 m×2 m矩形重疊線圈發(fā)射和接收信號(hào)。在掘進(jìn)迎頭位置呈扇形布置11個(gè)探測(cè)點(diǎn),探測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m～1.5 m,單個(gè)測(cè)點(diǎn)以頂板仰角30°、底板俯角30°、順煤層三個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)。圖2為礦用瞬變電磁探測(cè)示意圖。

圖2 礦用瞬變電磁探測(cè)示意圖Fig.2 Transient electromagnetic detection in mines

2.2.211301回風(fēng)順槽直流電法物探設(shè)計(jì)

為探測(cè)掘進(jìn)迎頭前方老空區(qū)分布,導(dǎo)水構(gòu)造情況及驗(yàn)證性探放水設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本次探測(cè)范圍為距11301回風(fēng)順槽開(kāi)口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍。具體施工方式為:距掘進(jìn)迎頭3 m～5 m處固定一組供電電極,命名為A1、A2、A3,測(cè)量電極M、N沿巷道底板箭頭方向以5 m～8 m間隔移動(dòng),每移動(dòng)一次測(cè)量電極M、N的電阻,測(cè)量一次A1、A2、A3的電阻。從而達(dá)到通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)電源場(chǎng)的分布特征來(lái)分析預(yù)測(cè)掘進(jìn)頭前方異常區(qū)域的位置分布的目的。圖3為11301回風(fēng)順槽直流電法探測(cè)布置圖。

圖3 11301回風(fēng)順槽直流電法探測(cè)布置圖Fig.3 Direct current detection in 11301 return-air gateway

2.3 超前物探成果及對(duì)比分析

2.3.1瞬變電磁物探成果

瞬變電磁超前探測(cè)解釋成果示意圖中,藍(lán)綠色表示視電阻低阻異常區(qū),紅色表示相對(duì)高阻區(qū),其它顏色表示過(guò)渡區(qū)。

瞬變電磁超前探測(cè)在11301回風(fēng)順槽左前方順層和仰角30°方向均發(fā)現(xiàn)1處視電阻率相對(duì)低阻異常區(qū)，命名為1號(hào)異常，見(jiàn)圖4。

4-a 瞬變電磁物探仰角30°方向扇形圖

4-b 瞬變電磁物探順層方向扇形圖

4-c 瞬變電磁物探俯角30°方向扇形圖圖4 瞬變電磁物探扇形圖Fig.4 Sector chart of transient electromagnetic geophysical exploration

2.3.2直流電法物探成果

圖5為11301回風(fēng)順槽直流電法探測(cè)成果圖。解釋成果示意圖中,藍(lán)綠色區(qū)域表示視電阻率低阻異常區(qū),磚紅色表示相對(duì)高阻區(qū),其它顏色表示過(guò)渡區(qū)。

直流電法超前探測(cè)在迎頭前方發(fā)現(xiàn)1處異常,1號(hào)異常位于迎頭前方64 m～68 m(即FW20點(diǎn)前144 m～148 m)之間,相對(duì)視電阻率值介于82 Ω·m～90 Ω·m之間,為低阻異常區(qū)。

圖5 11301回風(fēng)順槽直流電法探測(cè)成果圖Fig.5 Direct current detection in 11301 return-air gateway

2.3.3兩種物探成果對(duì)比分析

通過(guò)瞬變電磁與直流電法兩種物探手段對(duì)11301回風(fēng)順槽開(kāi)口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍的探測(cè),得到如下成果:瞬變電磁掘進(jìn)左前方橫軸方向20 m～70 m,縱軸方向30 m～80 m交會(huì)區(qū)存在低阻異常區(qū),直流電法迎頭正前方64 m～68 m存在低阻異常區(qū)。

分析上述成果,在現(xiàn)場(chǎng)施工探測(cè)條件一致的情況下,雖瞬變電磁探測(cè)范圍為空間扇形,可迎頭正前方并未探測(cè)到低阻異常區(qū),僅探測(cè)到巷道迎頭左前方順層方向及仰角30°方向的低阻異常區(qū),直流電法探測(cè)到迎頭正前方存在低阻異常區(qū)。兩種物探成果存在差異性與爭(zhēng)議性。

3 鉆探驗(yàn)證方案及結(jié)論

3.1 鉆探驗(yàn)證方案(含加密方案)

本著“物探先行,鉆探驗(yàn)證,化探跟進(jìn)”的原則,為了確保安全掘進(jìn),特針對(duì)11301回風(fēng)順槽開(kāi)口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范圍瞬變電磁與直流電法物探低阻異常區(qū)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證。設(shè)計(jì)施工方案為:在巷道迎頭向左前方及迎頭正前方異常區(qū)布置1組7孔驗(yàn)證性加密鉆孔,孔1、孔2、孔3沿左前方順層方向布置,設(shè)計(jì)孔深分別為87 m、107 m、95 m,孔4沿左前方仰角30°方向布置,設(shè)計(jì)孔深107 m,均探測(cè)瞬變電磁低阻異常區(qū);孔5沿迎頭正前方順層方向探測(cè),直流電法低阻異常區(qū),設(shè)計(jì)孔深68 m;順層孔以該處煤層傾角+2°施工,仰角30°方向鉆孔以+4°施工;若施工過(guò)程中鉆孔提前見(jiàn)頂見(jiàn)底,需調(diào)整傾角后繼續(xù)施工,確保鉆孔在煤層中達(dá)到設(shè)計(jì)深度。若按照設(shè)計(jì)施工后仍未探測(cè)到瞬變電磁低阻異常區(qū),在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)孔深均增加至120 m,同時(shí)施工加密孔,孔7、孔8,設(shè)計(jì)參數(shù)與孔1、孔3一致。圖6為11301回風(fēng)順槽鉆探驗(yàn)證施工布置圖。

圖6 11301回風(fēng)順槽鉆探驗(yàn)證施工布置圖Fig.6 Confirmation construction layout of drilling of No.11301 return-air gateway

3.2 鉆探驗(yàn)證結(jié)論

通過(guò)施工鉆探驗(yàn)證孔,孔1、孔3按照設(shè)計(jì)施工到位,孔2、孔4出現(xiàn)穿孔情況,調(diào)整傾角及開(kāi)孔高度后進(jìn)行了二次施工,最終達(dá)到設(shè)計(jì)孔深,但未探測(cè)到老空積水區(qū)、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻含水體;隨后執(zhí)行加密方案,孔7、孔8均按設(shè)計(jì)施工完畢,仍未探測(cè)到老空積水區(qū)、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻含水體。孔5施工至62 m時(shí),鉆孔不返水,停鉆等待30 min,鉆孔中有少量出水(0.5 m3/h),且鉆孔出水逐漸變小(0.1 m3/h),無(wú)異味,水質(zhì)清澈,確定為前方探測(cè)到導(dǎo)水構(gòu)造,與直流電法探測(cè)低阻異常區(qū)(64 m～68 m)基本一致。

3.3 原因分析

根據(jù)驗(yàn)證性加密鉆探得出上述結(jié)論。通過(guò)分析兩種物探的技術(shù)原理及現(xiàn)場(chǎng)施工干擾因素,得出造成這種結(jié)論的主要原因有兩點(diǎn):一,瞬變電磁受金屬及大型帶電設(shè)備干擾較強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)點(diǎn)附近右后方存在綜掘機(jī)及機(jī)組供電電纜,導(dǎo)致其對(duì)稱方向左前方出現(xiàn)大范圍低阻異常區(qū),這是造成物探低阻異常不準(zhǔn)確的主要原因;二,直流電法受金屬及大型設(shè)備影響較小,主要是由于其受空間影響小,靈活性強(qiáng),故探測(cè)到前方存在低阻異常區(qū)位置較準(zhǔn)確[3]。

4 瞬變電磁與直流電法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4.1 瞬變電磁技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):分辨率高,異常響應(yīng)強(qiáng),施工簡(jiǎn)單便捷,成果直觀明了。

缺點(diǎn):易受金屬體干擾；井下探測(cè)時(shí),綜掘機(jī)需遠(yuǎn)離迎頭,電纜盡可能斷電,線圈需遠(yuǎn)離金屬體；對(duì)于皮帶架、支護(hù)網(wǎng)片等無(wú)法移動(dòng)的金屬物,盡可能使線圈與它們保持一定的距離。

這些限制條件在井下生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大多不可能全部滿足,但上述條件有一項(xiàng)影響,探測(cè)成果將會(huì)大打折扣,甚至出現(xiàn)誤判誤導(dǎo),對(duì)高效安全的生產(chǎn)作業(yè)極為不利[4]。

4.2 直流電法技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):抗干擾能力強(qiáng),操作方法靈活簡(jiǎn)單,儀器攜帶便捷,探測(cè)響應(yīng)靈敏,受巷道內(nèi)綜掘機(jī)等大型設(shè)備影響小,測(cè)線端的測(cè)量“盲區(qū)”短。

缺點(diǎn):施工效率低,對(duì)操作人員技能素質(zhì)要求較高,需要現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算測(cè)量電阻值,現(xiàn)場(chǎng)剔除錯(cuò)誤點(diǎn)、高誤差點(diǎn),裝置復(fù)雜,移動(dòng)電極需帶線移動(dòng),且探測(cè)長(zhǎng)度應(yīng)與電極線長(zhǎng)度一致,不利于在井下巷道移動(dòng),易被巷道行人行走時(shí)拉扯[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

井下物探工作是安全采掘的第一道保護(hù)屏障,隨著時(shí)代的進(jìn)步、技術(shù)的發(fā)展,物探技術(shù)也在不斷地推陳出新,由此演變而來(lái)的物探新技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生,但大多新技術(shù)換湯不換藥,未從根本上解決物探施工過(guò)程中的諸多干擾因素,存在復(fù)雜甚至誤導(dǎo)的多解性。

隨著采掘工藝的不斷發(fā)展,目前已不乏物探新技術(shù),但缺乏針對(duì)性與準(zhǔn)確性,希望未來(lái)井下物探技術(shù)可以向單一針對(duì)性、去干擾、去多解性方向發(fā)展,切實(shí)為煤礦企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題。