李賢忠

(汾西礦業(yè)雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

我國煤炭賦存范圍廣泛，煤層中發(fā)育有以斷層、陷落柱等為主的地質(zhì)構(gòu)造。當煤層中發(fā)育有陷落柱時會破壞煤層頂?shù)装逋暾?，給采面正常生產(chǎn)及巷道掘進帶來不利影響[1-3]。同時，陷落柱也是良好的導水通道，當與附近含水層連通時可能會造成礦井出現(xiàn)涌水事故。因此，預測巷道掘進前方陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，并根據(jù)預測結(jié)果提前采取應對措施，對確保巷道掘進安全具有重要意義。根據(jù)有關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，將瞬變電磁法、瑞雷波法相結(jié)合可實現(xiàn)對陷落柱發(fā)育范圍及含水情況的有效探測[4-7]。因此，本文將瞬變電磁法、瑞雷波法用以掘進巷道前方地質(zhì)構(gòu)造探測，以便為巷道掘進提供可借鑒參考資料。

1 工程概況

山西某礦開采的井田內(nèi)陷落柱發(fā)育，礦井主采的5煤地質(zhì)構(gòu)造復雜，厚度平均3.6 m，為優(yōu)質(zhì)動力煤?，F(xiàn)階段礦井布置的506運輸巷沿著5煤底板掘進，該巷道主要擔任5號煤南翼開采時通風、運輸以及行人任務。5號煤層頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)泥巖，附近含水層為頂板灰?guī)r裂隙水含水層，富水量中等。506運輸巷設(shè)計掘進長度1 380 m，矩形斷面，采用錨網(wǎng)索噴支護方式。目前已掘進接近800 m，根據(jù)已掘巷道揭露的地質(zhì)構(gòu)造統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該巷道已揭露多達7個陷落柱，陷落柱內(nèi)多為破碎的巖塊堆積，中間被泥巖膠結(jié)，已揭露的陷落柱均不含水且導水性差。

2 綜合物探現(xiàn)場應用

2.1 瞬變電磁法現(xiàn)場應用

由于煤礦井下空間狹小，受到巷道全空間影響人工激發(fā)的電磁場信號會在巷道頂?shù)装逍纬删C合電磁感應，并形成電流環(huán)向周邊逐漸擴散，形成雙煙圈效應。在井下一般采用小型瞬變電磁儀(YSC2000)，該設(shè)備具有自動化程度高、體積小、攜帶輕便等優(yōu)點。根據(jù)全空間效應原理并結(jié)合該礦掘進巷道巖層賦存特點，將瞬變電磁儀的發(fā)射頻率設(shè)計為12.5 Hz，疊加次數(shù)選擇200次，信號發(fā)射采用20匝回路(2 m×2 m正方形)，磁探頭接收電磁信號。為了實現(xiàn)對巷道掘進前方地質(zhì)賦存情況的精準探測，探測方式選用扇形方式，可實現(xiàn)多角度多方向探測。

將瞬變電磁儀布置在掘進巷道迎頭位置，按照圖1所示角度對掘進前方煤巖體地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況進行探測。

圖1 瞬變電磁儀不同角度布置示意圖

2.2 瑞雷波法現(xiàn)場應用

該探測技術(shù)是在掘進工作面布置人工震源激發(fā)震波信號，在掘進工作面布置檢波器用以接收震波信號，具體震源及檢波器布置位置見圖2。

圖2 震源及檢波器布置示意圖

兩路不同震波信號具有不同的頻率，根據(jù)相位差即可計算出震波傳播耗時及傳輸速度，從而對探測范圍內(nèi)的地質(zhì)體賦存情況進行預測。 在掘進巷道迎頭布置雷瑞斌儀[(型號YTR(D)]，該設(shè)備可同時連接5臺檢波器，實現(xiàn)對掘進工作面前方60 m范圍內(nèi)的煤巖體賦存情況進行探測。

3 現(xiàn)場應用成果分析

為了確保506運輸巷掘進安全，降低陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造對巷道掘進影響，礦井決定在采用瞬變電磁法結(jié)合瑞雷波法對掘進前方可能存在的對巷道掘進安全帶來影響的地質(zhì)構(gòu)造進行探測。選用的瞬變電磁法獲取到的電阻率分布圖像見圖3a)所示，瑞雷波法獲取到的探測結(jié)果見圖3b)所示。

從圖3a)可看出，當瞬變電磁儀以30°仰角對巷道掘進前方煤巖體地質(zhì)構(gòu)造賦存情況進行探測時，獲取到的視電阻率等值線以發(fā)射狀態(tài)分布，且視電阻率均高于24 Ω·m，由此判定該探測方向前方煤巖體賦存較為穩(wěn)定，不存在富水區(qū)；當瞬變電磁儀按照90°角度(順巷道掘進方向)布置時，在掘進迎頭前方21 m～55 m范圍有一橢圓形低阻區(qū)，視電阻率均在24 Ω·m以內(nèi)，對比掘進迎頭前方80 m范圍內(nèi)的視電阻率分布情況可發(fā)現(xiàn)，該低阻區(qū)內(nèi)視電阻率變化不明顯，表明探測區(qū)域煤巖體富水性差，低阻區(qū)為地質(zhì)構(gòu)造引起的巖性變化引起；當瞬變電磁儀以30°俯角布置時，在距掘進迎頭21 m～53 m位置存在有一個橢圓形、封閉的低阻區(qū)，該低阻區(qū)范圍與90°角布置時獲取到的低阻區(qū)范圍重疊，分析判定該低阻區(qū)為陷落柱。結(jié)合在掘進迎頭30°仰角、90°角以及30°俯角三個方向瞬變電磁探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在掘進迎頭前方21 m～53 m范圍發(fā)育有陷落柱。

圖3 綜合物探成果圖

依據(jù)圖3b)發(fā)現(xiàn)，在與掘進迎頭相距21 m、53 m有較大振幅的尖峰，表明上述兩個位置附近有煤巖層變化較為明顯的地質(zhì)構(gòu)造。

4 鉆探驗證

為了驗證物探探測結(jié)果，在506運輸巷掘進迎頭布置3個探測鉆孔，分別按照30°仰角、垂直煤壁以及30°俯角向巷道掘進方向布置，具體布置見第176頁圖4。

具體3個探測孔探測結(jié)果見第176頁表1所示。從鉆屑統(tǒng)計結(jié)果可判定物探圈定的異常區(qū)為陷落柱。后期巷道掘進至該位置時也揭露該陷落柱，同時陷落柱內(nèi)砂巖塊被泥巖膠結(jié)，僅有少量的淋水。表明，文中采用的綜合探測技術(shù)探測成果可信度較高，探測成果可指導后續(xù)巷道掘進。

圖4 探測鉆孔布置示意圖

表1 探測鉆孔不同鉆進位置鉆屑統(tǒng)計情況

5 結(jié)語

綜合物探技術(shù)可適應礦井井下狹小空間，將瞬變電磁法、瑞雷波法相結(jié)合對506運輸巷掘進前方地質(zhì)構(gòu)造進行探測，并采用鉆探方對探測結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明，采用綜合物探方法探測到巷道掘進迎頭前方21 m～53 m存在有不導水陷落柱，鉆探及后續(xù)巷道掘進均揭露探測到的陷落柱。表明，文中選用的瞬變電磁法、瑞雷波法相結(jié)合的綜合物探方式探測結(jié)果具有較強的可信度。