李治龍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

30202回采工作面位于杭來灣煤礦302盤區(qū),所采煤層為3號煤層。物探測量范圍為30202工作面從切眼到主回撤通道段,探測工作面走向長度為5 718 m,傾向長度為300 m。本次探測在30202工作面兩順槽進(jìn)行,采用無線電波透視及音頻電透視法,探查30202工作面內(nèi)部以及頂板以上100 m范圍內(nèi)含水層富水性、隱伏構(gòu)造及導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況；結(jié)合以往水文物探工作成果對工作面頂板富水性進(jìn)行評價(jià),為30202工作面安全回采提供物探依據(jù)。為此,選用無線電波透視法，查明30202工作面內(nèi)部隱伏構(gòu)造及導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況；選用音頻電透視法，查明頂板上100 m范圍內(nèi)地層導(dǎo)、含水性情況。具體地質(zhì)任務(wù)是:查明30202回采工作面走向長度為5 718 m,內(nèi)部隱伏構(gòu)造、導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況；查明30202工作面巖石中富水化異常帶的分布程度和相對強(qiáng)弱,并根據(jù)以往水文、物探結(jié)果，對作業(yè)面頂板砂巖裂隙水導(dǎo)、含水性等進(jìn)行判斷。

1 方法選擇依據(jù)

槽波地震勘探[1]主要用于井下掘進(jìn)迎頭及工作面內(nèi)斷層等構(gòu)造地質(zhì)異常體的探測,其具有激發(fā)能力強(qiáng)、探測精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于井下地質(zhì)構(gòu)造的探測。該方法一般使用火工品作為激發(fā)震源進(jìn)行人工地震激發(fā)與接收,有效探測深度不小于500 m,但是該方法采用火工品進(jìn)行井下施工作業(yè)時具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn),且火工品采購手續(xù)批復(fù)難度也較大。另一種用于地質(zhì)構(gòu)造異常體探測的是無線電波坑透法,該方法通過選擇不同的電磁波收發(fā)頻率,達(dá)到不同的探測深度,有效探測深度可達(dá)350 m。該方法具有施工效率高、設(shè)備輕便、安全風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn),其原理如圖1所示。結(jié)合本礦井以往物探成果,采用無線電波坑透法進(jìn)行構(gòu)造類異常探測是行之有效的方法。因此,本次工作面物探勘探采用無線電波透視法，對內(nèi)部隱伏構(gòu)造及導(dǎo)含水構(gòu)造裂隙發(fā)育情況進(jìn)行探查。

由于礦井高分辨電測深技術(shù)需要將電極布設(shè)在巷道頂板上,僅可以獲得兩個順槽頂板上一定深度范圍內(nèi)的電性剖面,對工作面內(nèi)頂板上地層電性的探測能力很有限,往往借助空間數(shù)據(jù)的數(shù)理插值進(jìn)行異常識別；此外，該方法需要前期進(jìn)行打淺鉆孔,工程量大且時間長。礦井瞬變電磁法在井下的探測深度一般約為100 m,對于300 m寬的工作面,面內(nèi)探測存在較大的探測盲區(qū)。

音頻電透視法地下空間所接收到的電信號為全空間場的反映,為兩個二維平面半空間地電信息的綜合反映,在井下實(shí)際探測應(yīng)用中,采取相應(yīng)的措施可有效凸顯探測方向信號的目的。該方法電場傳播受井巷表面金屬導(dǎo)體等的影響較小,在相似地質(zhì)條件下處理計(jì)算的視電導(dǎo)率具有可比性。因此,在工作面頂板水探測中,將發(fā)射電極和接收電極匝在巷道側(cè)幫靠近頂板處,以下部煤層為高阻“屏蔽”層,可有效減弱底板地質(zhì)體對觀測信號的影響,從而達(dá)到探測目的。本文根據(jù)周邊礦區(qū)頂板物探應(yīng)用效果并結(jié)合煤礦實(shí)際情況[2-5]進(jìn)行分析。

圖1 無線電波透視探測原理示意圖

2 儀器設(shè)備

2.1 無線電波透視儀

本次勘探使用YDT-88型礦用無線電波透視儀。該儀器為礦用本質(zhì)安全型,有4個頻點(diǎn)(88，158，365，965 kHz)可供選用,針對本次工作面情況采用88 kHz進(jìn)行施測[6]。

2.2 音頻電透視儀

本次音頻電透視探測工作使用的儀器為YBT-32型防爆音頻電透視儀,由福州華虹智能科技開發(fā)有限公司開發(fā)。該儀器由供電機(jī)、接收機(jī)兩個箱體組成。供電機(jī)以一定頻率向地層中發(fā)射電信號,本次勘探使用16,64,128 Hz共三個頻率,90 V供電源進(jìn)行探測;接收機(jī)在一定區(qū)域接收等頻信號[7-8]。其主要特點(diǎn):發(fā)射、接收頻率為8，16，32，64，128 Hz;接收機(jī)采用8個通道實(shí)時并行接收,大大提高了探測效率。系統(tǒng)提供單頻發(fā)射、接收,多個頻率順序發(fā)射、接收,混頻發(fā)射、接收?；祛l發(fā)射將多個頻率進(jìn)行混合,同時發(fā)射,YBT32接收機(jī)可同時對混頻中不同頻率進(jìn)行解編;發(fā)射機(jī)提供功率為30 V/180 mA、45 V/120 mA、90 V/50 mA,發(fā)射時儀器根據(jù)地質(zhì)情況自動選擇最佳的發(fā)射電壓;采用特殊數(shù)字信號處理手段,對低至幾個微伏的微弱信號進(jìn)行有效提取;儀器對50 Hz的工頻信號抑制能力達(dá)到120 dB以上,如圖2所示。

圖2 工作面音頻電透視法示意圖

3 資料處理與解釋

3.1 處理流程

資料處理流程如圖3所示。無線電波透視觀測數(shù)據(jù)的處理一般包含:新建工程、原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測系統(tǒng)建立、反演成像、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、其他輔助工具進(jìn)行成圖等部分[9],如圖4所示。

圖3 資料處理流程圖

圖4 無線電波透視資料處理流程圖

新建工程及原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入,該功能下可根據(jù)實(shí)際探測情況進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的錄入,觀測系統(tǒng)建立后可查看觀測數(shù)據(jù),支持綜合曲線圖、實(shí)測場強(qiáng)曲線圖等的預(yù)覽等。此外軟件支持吸收系數(shù)反演并可導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3.2 礦井音頻電透視資料處理

音頻電透視觀測數(shù)據(jù)的處理一般包含：新建工程、原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測系統(tǒng)建立、反演成像、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、其他輔助工具進(jìn)行成圖等部分[10-11]。

3) TaskService：提供對用戶Task和Form的相關(guān)操作及運(yùn)行時任務(wù)查詢、領(lǐng)取、完成、刪除和變量設(shè)置等功能。

新建工程及原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入:利用YBT32儀器配套軟件工程新建后,進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入,按流程分別讀取工作面探測發(fā)射巷數(shù)據(jù)和接收巷數(shù)據(jù)。

觀測系統(tǒng)建立:新建工程和觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,經(jīng)必要的數(shù)據(jù)檢查和預(yù)處理后開始建立觀測系統(tǒng)。

反演計(jì)算成像:該命令可進(jìn)行工作面探測數(shù)據(jù)的CT成像反演計(jì)算,計(jì)算出對應(yīng)頻率觀測視電導(dǎo)率等值線平面圖。

4 成果資料分析與解釋

按照前述資料處理和解釋原則,分別對無線電波透視探測資料和音頻電透視探測資料進(jìn)行資料處理,可形成相對應(yīng)的實(shí)測場強(qiáng)等值線平面圖、吸收系數(shù)等值線平面圖和音頻電透視異常平面圖。[12-13]

4.1 無線電波透視成果及分析

KC1異常橫向位于距切眼900～1 050 m(90#-105#點(diǎn))范圍,近貫穿工作面分布,實(shí)測場強(qiáng)小于30 dB,異常吸收系數(shù)大于0.006,推斷該異常為煤層發(fā)育的裂隙或破碎松軟的反映;KC2異常橫向位于距切眼2 440～2 620 m(244#-262#點(diǎn))范圍,近貫穿工作面分布,異常主要分布于30202膠運(yùn)順槽側(cè),實(shí)測場強(qiáng)小于30 dB,異常吸收系數(shù)大于0.006,推斷該異常為煤層發(fā)育的裂隙或破碎松軟的反映;KC3異常橫向位于距切眼2 950～3 090 m(295#-309#點(diǎn))范圍,近貫穿工作面分布,異常主要分布于30202膠運(yùn)順槽側(cè),實(shí)測場強(qiáng)小于30 dB,異常吸收系數(shù)大于0.006,推斷該異常為煤層發(fā)育的裂隙或破碎松軟的反映,如表1所示。

表1 無線電波透視異常情況表

綜上分析,本次工作面坑透探測圈定3處較明顯異常區(qū),三處異常范圍均較大,但強(qiáng)度較低,反映了異常區(qū)分布范圍內(nèi)可能存在較明顯的煤層介質(zhì)變化特征,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料推測該處為煤層破碎程度高或松軟的反映。本次探測工作面內(nèi)無明顯斷層及隱伏構(gòu)造,由于探測工作面為厚煤層,無線電波透視法對沖刷厚度較小的沖刷帶及變化范圍有限的煤層厚度變化反映不明顯,未做進(jìn)一步推斷,如圖5所示。

圖5 30202工作面無線電波透視異常平面圖

4.2 音頻電透視探測成果及分析

結(jié)合已有掘進(jìn)、鉆探等地質(zhì)資料,對工作面底板不同頻率視電導(dǎo)率等值線平面圖進(jìn)行分析解釋。以工作面進(jìn)風(fēng)巷停采線位置為坐標(biāo)原點(diǎn),建立直角坐標(biāo)系,異常位置的描述依此坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行[14](如圖6所示)。

圖6 30202工作面頂板100 m范圍音頻電透視探測視電導(dǎo)率異?？臻g效果圖

頂板128 Hz工作頻率探測視電導(dǎo)率異常成果圖,共圈定4處高視電導(dǎo)率異常(編號為YC2、YC3、YC4和YC5)。YC2異常位于30201輔運(yùn)順槽邊部,距切眼約4 900～5 250 m(490#-525#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約110 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC3異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約920～1 420 m(92#-142#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約97 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC4異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約1 970～2 350 m(197#-235#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約148 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC5異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約3 450～3 830 m(345#-383#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約137 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低。

4.2.230202工作面64 Hz工作頻率探測視電導(dǎo)率異常平面圖分析

頂板64 Hz工作頻率探測視電導(dǎo)率異常成果圖,共圈定4處高視電導(dǎo)率異常(編號為YC1、YC3、YC4和YC5)。YC1異常位于30201輔運(yùn)順槽邊部,距切眼約4 210～4 360 m(421#-436#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約85 m,呈片狀分布,異常范圍較小,強(qiáng)度較低;YC3異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約1 060～1 330 m(106#-133#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約62 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC4異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約1 980～2 130 m(198#-213#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約55 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC5異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約3 370～3 720 m(337#～372#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約75 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低。

4.2.330202工作面16 Hz工作頻率探測視電導(dǎo)率異常平面圖分析

頂板16 Hz工作頻率探測視電導(dǎo)率異常成果圖,共圈定3處高視電導(dǎo)率異常(編號為YC1、YC4和YC5)。YC1異常位于30201輔運(yùn)順槽邊部,距切眼約4 200～4 320 m(420#-432#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約106 m,呈片狀分布,異常范圍較小,強(qiáng)度較低;YC4異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約1 870～2 200 m(187#-220#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約97 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC5異常位于30202膠運(yùn)順槽邊部,距切眼約3 640～3 830 m(364#～383#點(diǎn))段,向工作面內(nèi)延伸約78 m,呈片狀分布,異常范圍較大,強(qiáng)度較低。

縱向比較上述5個異常,YC1異常在頂板70～100 m段有顯示,異常范圍和強(qiáng)度變化不大,到頂板上40 m層附近未再顯示;YC2異常僅在頂板上40 m層段附近有顯示,異常范圍較大,強(qiáng)度較低;YC3異常在頂板上40～70 m附近有顯示,異常范圍較大,強(qiáng)度較小;YC4和YC5異常在頂板40～100 m段均有顯示,往下部異常范圍和強(qiáng)度變大,如圖6所示。

4.3 工作面異常區(qū)綜合地質(zhì)解釋

根據(jù)前文所述無線電波透視探測資料,結(jié)合已有地質(zhì)資料分析，對本次勘探圈定的工作面內(nèi)異常區(qū)域進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋如下。

1)KC1異常區(qū):位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約900～1 050 m段,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料及現(xiàn)狀分析認(rèn)為，可能為工作面內(nèi)局部煤層介質(zhì)松軟或相對較破碎的反映。

2)KC2異常區(qū):位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約2 440～ 620 m段,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料及現(xiàn)狀分析認(rèn)為，可能為工作面內(nèi)局部煤層介質(zhì)松軟或相對較破碎的反映。

3)KC3異常區(qū):位于30202工作面,近貫穿工作面分布,距切眼約2 950～3 090 m段,結(jié)合順槽掘進(jìn)地質(zhì)資料及現(xiàn)狀分析認(rèn)為，可能為工作面內(nèi)局部煤層介質(zhì)松軟或相對較破碎的反映。

音頻電透視法圈定異常5處,對比兩種物探方法探測異常成果可以看出,無線電波透視異常與音頻電透視法異常沒有明顯聯(lián)系,表明無線電波透視異常的區(qū)域沒有明顯的導(dǎo)含水。

5 結(jié)論

1)30202工作面通過無線電波透視探測得到實(shí)測場強(qiáng)圖和吸收系數(shù)CT成像圖,共圈定異常區(qū)3處,編號分別為KC1、KC2和KC3。KC1異常位于工作面距切眼約900～1 050 m處,近貫穿工作面分布,異常范圍較小,強(qiáng)度較弱;KC2異常位于工作面距切眼約2 440～2 620 m處,近貫穿工作面分布,異常范圍較小,強(qiáng)度較弱;KC3異常位于工作面距切眼約2 950～3 090 m處,近貫穿工作面分布,異常范圍較小,強(qiáng)度較弱。結(jié)合已有地質(zhì)資料分析，異?？赡転榫植棵簩铀绍浕蛄严栋l(fā)育程度較高的反映。本次無線電波透視法未圈定出斷層等隱伏地質(zhì)構(gòu)造;工作面所在3#煤為厚煤層,煤層存在一定的厚度變化特征,本次利用無線電波透視法很難反映出局部的煤層厚度變化情況,對于裂隙集中發(fā)育區(qū)等仍有一定的反映能力。

2)30202工作面通過音頻電透視法探測得到工作面內(nèi)不同層段視電導(dǎo)率等值線平面圖,根據(jù)異常特征結(jié)合探測層段水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析,共圈定異常5處,分別編號為YC1、YC2、YC3、YC4和YC5。本次探測工作未圈定出明顯的導(dǎo)含水構(gòu)造,僅在煤層頂板圈定5處相對賦水區(qū),分析其為砂巖裂隙局部含水較多的反映,其中YC4和YC5異常在垂向上延伸特征明顯,但根據(jù)異常范和強(qiáng)度分析,其富水性弱。

3)無線電波透視和音頻電透視探測在探查煤礦地質(zhì)構(gòu)造和頂板上100 m范圍內(nèi)含水層富水性具有很強(qiáng)的操作性,通過回采過程實(shí)際對照驗(yàn)證,準(zhǔn)確度較高,值得在煤礦地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)中推廣使用。