張 陸

(山西焦煤 西山煤電集團馬蘭礦, 山西 古交 030200)

煤礦陷落柱作為一種較復雜的地質構造,其成因是該區(qū)域下部為石灰?guī)r,并且?guī)r溶較為發(fā)育,在重力作用下,覆巖向下塌陷而形成[1]. 陷落柱多數(shù)不導水,但是陷落柱只要導水,就容易引發(fā)大的突水事故[2].所以在工作面回采時,應重視對工作面內部隱伏陷落柱的探查[3].

馬蘭礦18502工作面回采過程中,在對疑似陷落柱S91鉆探控制過程中,出現(xiàn)部分鉆孔有涌水現(xiàn)象。為掌握18502工作面內部地質構造發(fā)育情況及工作面內S91陷落柱的富水情況,利用地球物理勘探技術對該工作面進行探測。

因為陷落柱一般充填煤層頂?shù)装迤扑閹r石,其地震波速度、密度與煤層存在較大的差異,其接觸面為波阻抗界面,這為槽波勘探提供了地球物理前提[4]. 而選用一種勘探方法并不能獲得疑似陷落柱較為準確的水文地質資料[5],所以該次探測同時選用音頻電透視技術對S91陷落柱的富水性進行評價;運用槽波地震勘探技術查明18502工作面內落差大于煤層厚度1/2的已揭露及隱伏斷層延展發(fā)育情況及直徑大于20 m隱伏陷落柱的展布情況;通過音頻電透視技術及槽波地震勘探技術的結果進行綜合分析,獲得更為精準、全面的地質信息[6].

1 實際工程

1.1 工程概況

勘探區(qū)開采煤層為太原組下部的8號煤層,頂板是石灰?guī)r,底板是細砂巖;與圍巖相比,煤層具有速度低、密度小的特點,在地質剖面中,煤層是一個典型的低速夾層,煤層頂?shù)装鍘r層界面均是高波阻抗,具有槽波形成的條件[7].

1.2 現(xiàn)場施工布置

該次槽波勘探范圍為切眼后退1 150 m;音頻電透視范圍為：18502輔運巷F02-L3號點前51.7 m至F02-10號點前34.2 m,即35#—65#標記點(推斷陷落柱S91前后共計300 m). 18502工作面槽波、電透勘探范圍見圖1.

圖1 18502工作面槽波、電透勘探范圍圖

2 槽波地震勘探技術

2.1 槽波地震勘探技術原理

在含煤地層中,煤層與圍巖間的界面一般呈現(xiàn)良好的反射面。相比于頂?shù)装鍑鷰r,含煤地層由于其低速度、低密度的特點,通常以低波阻抗出現(xiàn)。通過采用槽波地震勘探技術,以震源為中心激發(fā)的P波及S波,以球面體波形式向四周傳播,并以不同方向的入射角至頂?shù)装褰缑鎇8].在煤層中,地震波受到煤層影響以低速自內向外進行擴散傳播。地震波在煤層傳播過程中,上行、下行波相互干涉、迭加。只滿足一定條件的各種諧波,在槽內相互干涉而形成垂直于煤層面的駐波,在煤層內不斷向前傳播,這就形成了槽波,也稱煤層波[9].槽波的形成原理示意圖見圖2.

圖2 槽波的形成原理示意圖

2.2 槽波地震勘探試驗

槽波地震勘探所選用的觀測系統(tǒng)為槽波透射觀測系統(tǒng),即一條巷道發(fā)射,同時在對面巷道接收,之后發(fā)射與接收巷道交換,重復探測。18502工作面槽波勘探炮點及檢波點布置見圖3.

圖3 18502工作面槽波勘探炮點及檢波點布置示意圖(輔運巷放炮、皮帶巷接收)

2.3 槽波地震勘探技術物探異常分析

從槽波傳播規(guī)律可知,拉夫型槽波傳播受制于煤層,其傳播路徑與煤層的起伏一致,煤層的橫向均一性對槽波的干涉、速度、能量均有調制作用。當工作面內煤層巖性單一、穩(wěn)定時,槽波能夠穿透大部分工作面,且由于在煤層傳播過程中速度慢,穿透工作面時能量衰減小,衰減速率慢,可以較好地進行觀察并應用于異常體的識別。18502工作面槽波勘探能衰減系數(shù)成果圖見圖4. 圖4中淺色區(qū)域代表衰減系數(shù)大,深色區(qū)域代表衰減系數(shù)小。該次槽波透視共圈定18處能量衰減系數(shù)高值異常區(qū),異常區(qū)編號標識為：CF1#—CF17#及CX1#.

圖4 18502工作面槽波勘探能衰減系數(shù)成果圖

綜合槽波透視能量衰減情況、相關地質資料、現(xiàn)場實際揭露情況等,對各個異常區(qū)范圍做出物探異常地質評價：異常區(qū)CF1#、CF2#、CF3#、CF5#、CF7#、CF8#、CF9#、CF10#、CF11#可能為小于1/2煤厚的斷層影響范圍,對回采影響較小。CF12#靠近巷幫部分為大于1/2煤厚的斷層影響范圍,由于此范圍靠近切眼位置中部,為整個槽波探測數(shù)據(jù)量最少的區(qū)域,因此靠近切眼中部位置可能存在其他構造。劃定范圍為工作面外部已揭露斷層的延伸范圍,對回采有一定影響。CF13#—CF17#為多條斷層綜合反映區(qū),地質情況相對較復雜,對回采有一定的影響。CX1#推測為S91陷落柱范圍以及陷落柱外部影響頂?shù)装瀹惓７秶?對回采影響較大。

3 礦井音頻電透視技術

3.1 礦井音頻電透視技術原理

礦井音頻電透視技術是基于地下各種巖石之間的導電性差異性,通過人工場源改變礦井原有的電場分布情況,并通過觀察分析人工場源影響下電場的分布規(guī)律,結合已有的地質資料獲得所需要的地質信息[10].

從廣義上來講,礦井音頻電透視技術仍屬礦井直流電法。因為現(xiàn)場施工工藝、資料的后處理及探測范圍為采煤工作面內部富水性異常,與一般礦井直流電法存在差異性,而形成了特定的一個分支[11].音頻電透視技術原理示意圖見圖5.

圖5 音頻電透視技術原理示意圖

3.2 礦井音頻電透視技術探測結果及解釋

當?shù)叵聨r性比較均勻時,在相同的電場下某區(qū)域所得視電導率數(shù)值越高,則證明該區(qū)域的導電性越好,越可能存在地質異常。根據(jù)現(xiàn)場所得到的數(shù)據(jù),確定巖層電性異常區(qū)域,經處理后得到：在10～20 m層位,視復電導率在9.8～14.2 S/m,平均值為11.77 S/m,標準偏差為0.48 S/m,該層位異常閾值為11.93 S/m;20～40 m層位,視復電導率在18.08～23.98 S/m,平均值為20.04 S/m,標準偏差為0.61 S/m, 該層位異常閾值為20.24 S/m;40～70 m層位,視復電導率在11.78～20.87 S/m,平均值為14.14 S/m,標準偏差為0.81 S/m,該層位異常閾值為14.41 S/m;70～100 m層位,視復電導率在9.85～19.68 S/m,平均值為14.03 S/m,標準偏差為0.84 S/m,該層位異常閾值為14.31 S/m;100～125 m層位,視復電導率在10.25～21.9 S/m,平均值為13.33 S/m,標準偏差為0.99 S/m,該層位異常閾值為13.66 S/m.

3.3 礦井音頻電透視技術異常分析

按照異常閾值標準,對比分析各層段的視復電導率分布特征,確定18502工作面底板0～20 m、70～100 m、100～125 m整體電導率相對較高,且在平面圖中標記為DT1#、DT2#、DT7#、DT8#、DT9#、DT10#、DT11#、DT14#位置電導率相尤為明顯提高。

音頻電透視勘探結果反映工作面底板不同深度共計存在14個視復電導率較高區(qū)域,經分析確定：

1) 70～100 m和100～125 m電導率擬斷面圖綜合判斷,較多區(qū)域電導率值高于閾值,表現(xiàn)為相對低阻、高電導,且相對均一連續(xù),同時,結合地質情況可知,底板下78 m后為有奧灰發(fā)育區(qū)段相對應,故推斷勘探范圍內底板奧灰整體存在富水性,且在平面圖中標記為DT9#、 DT10#、DT11#、DT12#、 DT13#、DT14#位置富水性尤為明顯。

2) 結合DT1#、DT5#,主要發(fā)育在工作面中段,位于工作面退尺440～545 m. 淺層電性異常集中、幅度大,隨深度遞減,異常幅度降低,推測該異常區(qū)段8煤底板地測裂隙發(fā)育,少量富水,綜合分析此范圍內可能為陷落柱導致周邊的巖性發(fā)生了明顯變化而形成的,存在弱富水性。

3) DT3#、DT4#、DT6#發(fā)育范圍均較小,區(qū)域內視復電導率大于閾值,分析判定該區(qū)因斷層等構造發(fā)育,導致巖層裂隙相對發(fā)育。

綜合各個深度的探測結果綜合分析,得出一個電透異常區(qū)為DTY1#異常區(qū),見圖6.

圖6 18502工作面音頻電透視成果圖

4 綜合物探結果分析

通過綜合物探所得的資料處理,結合現(xiàn)場實際和已知的地質資料,進行綜合分析后得出結論,18502工作面綜合物探成果圖見圖7.

圖7 18502工作面綜合物探成果圖

槽波地震勘探技術對地質構造異常區(qū)域有明顯反應,圈定地質構造異常區(qū)18處,編號為CF1#—CF17#及CX1#;音頻電透視技術得出一個電透異常區(qū)為DTY1#異常區(qū)。

5 鉆探驗證情況

通過鉆探驗證工作,探明了工作面內無落差大于5 m的斷層;控制了工作面內落差大于1 m斷層的延伸情況,工作面內部所有斷層均不含水(落差小于1 m斷層控制效果相對較差);控制了由2號煤工程揭露控制的S91陷落柱,預計長軸×短軸=38 m×34 m(槽波勘探控制陷落柱長軸×短軸=62 m×40 m,根據(jù)鉆探驗證分析為陷落柱邊緣煤巖層裂隙發(fā)育及傾角異常變化影響所致),鉆孔揭露時有涌水現(xiàn)象,已自然疏干;工作面掘進時于皮帶巷里程1 201 m揭露S164陷落柱,后經切眼外部鉆探控制驗證,分析該陷落柱和S72陷落柱在8號煤層合并為一個,預計長軸×短軸=137 m×61 m,不含水;根據(jù)鉆探資料分析,X2三維勘探陷落柱范圍未見異常情況,分析為小型隱伏構造發(fā)育影響所致。工作面內部S91陷落柱存在一定含導水性情況,需進行注漿治理加固底板,治理驗收合格后,工作面可以正?；夭?。

6 結 論

1) 單一的勘探形式,很難完整掌握巖層的地質信息,而現(xiàn)在綜合物探成為當前的一種主流形式。綜合運用多種探測手段,結合多種技術的優(yōu)勢,突破單一物探手段的局限性,更加全面地、準確地獲得完整的現(xiàn)場地質信息。

2) 通過槽波地震勘探技術能夠查明工作面內落差大于1/2煤厚的已揭露及隱伏斷層延展發(fā)育情況以及直徑大于20 m隱伏陷落柱的展布情況,圈定地質構造異常區(qū)18處,推斷陷落柱異常區(qū)1處,推斷落差在1/2煤厚以上的斷層異常區(qū)4處。采用音頻電透視技術對S91陷落柱的富水性進行了評價,得出電透異常區(qū)1處。

3) 綜合物探結束后,利用鉆探驗證手段可以有效控制工作面內構造的發(fā)育情況,有效指導工作面安全回采。

4) 今后綜合物探技術的發(fā)展,將進一步結合各種勘探技術的優(yōu)點,發(fā)揮各技術的優(yōu)勢,獲得更加完整、準確的地質信息,為煤礦的安全生產提供更高效的保障。