高凱斌

(神東煤炭集團(tuán)地測(cè)公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

煤礦防治水工作是煤礦安全生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán),做好礦井防治水工作能夠有效的預(yù)防和減少煤礦突水事故的發(fā)生,保障井下職工安全,降低井下器材損耗,為生命安全和財(cái)產(chǎn)損失提供了重要保障[1]。近年來(lái),隨著煤礦防治水細(xì)則的不斷完善,物探工作成為煤礦防治水中極為重要的一項(xiàng)工程,結(jié)合各種物探方法的優(yōu)缺點(diǎn),電磁法在礦井物探工作中得到廣泛的使用,其優(yōu)點(diǎn)是在煤礦開(kāi)采中能夠最大可能的減小機(jī)械化礦井中的各種干擾,提高探測(cè)準(zhǔn)確度。礦井工作面探測(cè)以坑道無(wú)線電波透視法、音頻電穿透法最為普遍?？拥罒o(wú)線電波透視法通過(guò)增加發(fā)射線框的面積和匝數(shù),降低發(fā)射頻率,保證有效穿透大寬面工作面;音頻電穿透法采用優(yōu)化施工布置,增加發(fā)射電流,增加接收電極MN極距,保證有效接收感應(yīng)信號(hào)。通過(guò)對(duì)這2種物探方法的綜合對(duì)比分析,提高物探工作的準(zhǔn)確性,以期達(dá)到大寬面工作面回采前的水害預(yù)防。

1 方法介紹

隨著煤礦生產(chǎn)速度的日益加快,礦井深度不斷加深,地質(zhì)構(gòu)造條件愈加復(fù)雜,采空區(qū)范圍逐漸增多,在保證煤礦安全生產(chǎn)的前提下,采用回采工作面礦井物探技術(shù)[2]。選取坑道無(wú)線電波透視法和音頻電穿透法2種方法相結(jié)合的綜合物探方法,通過(guò)2種方法相互驗(yàn)證在寬度300 m以上工作面頂板基巖含水層防治水中的應(yīng)用。

1.1 坑道無(wú)線電波透視法

坑道無(wú)線電波透視法又稱坑透法,是指電磁波在煤層或巖層傳播的過(guò)程中,如果存在一些地質(zhì)異常體,由于異常體的電阻率值和介電常數(shù)與煤層或巖層存在顯著差異,使得它們對(duì)電磁波的能量吸收強(qiáng)度不同,低阻體對(duì)電磁波的吸收較強(qiáng)[3-5]。當(dāng)電磁波前進(jìn)過(guò)程中遇到一些構(gòu)造界面時(shí),電磁波將發(fā)生反射和折射作用,使得部分電磁波能量被吸收,電磁波能量最終被損耗。因此,巷道發(fā)射出的電磁波在煤層中傳播時(shí)遇到斷層、陷落柱、導(dǎo)水裂隙帶或煤層厚度發(fā)生顯著變化時(shí),電磁波能量將被完全屏蔽或吸收,同時(shí)在工作面另一端的接收巷道接收到的數(shù)據(jù)十分微弱或根本接收不到數(shù)據(jù),從而產(chǎn)生一種透視異常區(qū)[6]?？拥罒o(wú)線電波透視法工作原理如圖1所示。

圖1 坑道無(wú)線電波透視法工作原理示意Fig.1 Working principle of tunnel radio wave perspective method

1.2 音頻電穿透法

音頻電穿透法屬于交變電磁場(chǎng)法技術(shù),是以巖礦石(包括水)的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性以及介電性差異為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)上述物理場(chǎng)時(shí)間和空間分布特征的研究來(lái)確定查明隱伏地質(zhì)體或地下水的目的。音頻電穿透屬于其地下層狀全空間電場(chǎng)分布,屬體積勘探,主要用于探測(cè)煤層頂板或底板上下一定深度范圍內(nèi)的富水異常體。礦井音頻電穿透法基礎(chǔ)是一種全空間電場(chǎng)理論[7-8]。由于煤層與頂?shù)装鍘r層有較大的電性差異,頂?shù)装鍘r層與煤層相比為高阻層[9]。因此可用井下3層地電模型來(lái)模擬上述電性組合特征,如圖2所示。

圖2 井下3層地電模型示意Fig.2 Underground three layers’ geoelectrical model

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

以寸草塔二礦22122工作面為例,礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi),距伊金霍洛旗約27 km。礦區(qū)長(zhǎng)約5.15 km,寬約4.55 km,面積約16.5 km2。22122工作面頂部為上覆基巖含水層和第四系松散層含水層,在工作面回采過(guò)程中產(chǎn)生裂隙松動(dòng)或工作面內(nèi)部存在地質(zhì)構(gòu)造形成導(dǎo)水裂隙帶,含水層水可能通過(guò)基巖裂隙或地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)入工作面,對(duì)工作面回采造成威脅。本次物探工程布置在22122工作面,通過(guò)坑道無(wú)線電波透視法和音頻電穿透法2種相結(jié)合的綜合物探技術(shù)對(duì)比分析,為22122工作面下一步的回采提供有力保障。22122工作面煤層較為穩(wěn)定,厚度0.9～2.2 m,平均1.6 m。順槽開(kāi)口至590 m段,在巷道上部出現(xiàn)1層夾矸,開(kāi)口590 m至切眼段,在巷道下部出現(xiàn)1層夾矸,屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單煤層。從煤層總體來(lái)看,煤層厚度有一定的變化但規(guī)律性較明顯,屬于較穩(wěn)定煤層。22122工作面頂部含水層有2層。一是上覆基巖含水層,厚度約0～30 m,單位涌水量q為0.181 L/(s·m),富水性中等。水質(zhì)類型為HCO3—SO4～Ca+Mg型水,礦化度為0.319,pH為8.0。二是第四系松散層含水層,上部巖性為砂礫層及中細(xì)砂巖層,下部為砂礫與粗砂層,厚度約0～28 m,平均為12 m,含水部分主要為下部粗砂及砂礫層。單位涌水量q為0.009 5 L/(s·m),滲透系數(shù)0.098 7 m/d,富水性弱,該層厚度變化較大。水質(zhì)類型為HCO3—Ca型水,礦化度低。因此,上覆基巖含水層為回采工作面防治水工作的重點(diǎn)。

2.2 工程布置

根據(jù)工作面水文地質(zhì)資料顯示,影響工作面回采的水患主要來(lái)自工作面上部垂向含水層,因此用坑道無(wú)線電波透視法在工作面兩巷道進(jìn)行定點(diǎn)法掃描,探查工作面內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育情況,用音頻電穿透法探查工作面上覆巖層的含水情況及工作面內(nèi)部構(gòu)造充水情況。

2.2.1 坑道無(wú)線電波透視

坑道無(wú)線電波透視法探測(cè)是從22122工作面切眼到回撤通道方向進(jìn)行,采用定點(diǎn)法施工,發(fā)射點(diǎn)距50 m,接收點(diǎn)距10 m,每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)接收前后50 m數(shù)據(jù)。2條巷道交錯(cuò)施工,探測(cè)長(zhǎng)度為840 m,如圖3所示。

圖3 坑道無(wú)線電波透視法工作面設(shè)計(jì)方案Fig.3 Working face design scheme with tunnel radio wave perspective

2.2.2 音頻電穿透

本次音頻電穿透布置在寸草塔二礦22122工作面,工作面長(zhǎng)840 m,寬為340 m。運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽均進(jìn)行施工,音頻電穿透法發(fā)射點(diǎn)距為50 m,接收點(diǎn)距10 m,采用單頻點(diǎn)施工,頻率為120 Hz。每個(gè)發(fā)射電極對(duì)應(yīng)20個(gè)接收點(diǎn),接收發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)200 m范圍數(shù)據(jù)。每條巷道布置測(cè)量點(diǎn)共85個(gè),檢測(cè)點(diǎn)10個(gè),2條巷道共計(jì)190個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖4所示。

圖4 音頻電穿透法施工布置示意Fig.4 Construction layout with audio electrical penetration

3 井下施工

3.1 儀器概況

本次綜合探測(cè)采用2種儀器,其中坑道無(wú)線電波透視法探測(cè)采用YDT-88型儀器,此儀器由福州華虹廠家生產(chǎn),為便攜式、本質(zhì)安全型防爆。該型儀器采用雙頻率、小功率、低功耗、微機(jī)控制、自動(dòng)記錄、內(nèi)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)由微機(jī)自動(dòng)處理成圖的技術(shù)方案。音頻電穿透法探測(cè)儀器為煤炭科學(xué)研究總院西安研究院研制的YT120(A)型防爆音頻電穿透儀,是一種應(yīng)用于礦井條件下水文地質(zhì)條件探查的專用儀器,采用本質(zhì)安全型防爆形式、供電機(jī)具快速過(guò)流保護(hù)功能、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

為增加電磁波的有效穿透性,坑道無(wú)線電波透視法采用大分辨率定點(diǎn)法探測(cè)[10-11],發(fā)射頻率88 K,拋棄原有2 m×2 m發(fā)射線框,采用特制3 m×3 m發(fā)射線框,增加發(fā)射線框匝數(shù)。每100 m采樣時(shí)間2 min,搬站時(shí)間1 min。自工作面切眼開(kāi)始依次向回撤通道方向接收。對(duì)應(yīng)巷道的一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收,探查工作面內(nèi)煤層中斷層、陷落柱及煤層變薄帶的延展范圍。

音頻電穿透法采用固定發(fā)射電極AB,移動(dòng)測(cè)量電極MN法施工,發(fā)射巷道50 m布置1個(gè)發(fā)射電極,共布置17個(gè)發(fā)射電極。沿發(fā)射巷道方向向外延伸800 m放置無(wú)窮遠(yuǎn)電極1個(gè),接收點(diǎn)對(duì)應(yīng)垂直巷道方向布置接收電極2個(gè)。通過(guò)井下手搖有線電話進(jìn)行溝通,依次進(jìn)行發(fā)射和接收,記錄人員記錄每個(gè)點(diǎn)位發(fā)射和接收對(duì)應(yīng)的電流和電壓值。接收機(jī)采集供電點(diǎn)對(duì)應(yīng)前后100 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。主要探測(cè)工作面頂板上方0～60 m深度層段基巖含水層異常區(qū)的形態(tài)、平面位置及含水性的相對(duì)強(qiáng)弱。

4 物探成果分析

4.1 探測(cè)工作面環(huán)境分析

本次物探施工工作面未進(jìn)行回采準(zhǔn)備作業(yè)工作,工作面基礎(chǔ)供電設(shè)施較少,工作面兩巷道共發(fā)現(xiàn)水泵4處,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)都處于關(guān)閉狀態(tài)。工作面煤質(zhì)較差,兩側(cè)片幫較嚴(yán)重,巷道頂板及兩側(cè)幫錨網(wǎng)等鐵器可能對(duì)電磁波信號(hào)產(chǎn)生干擾?？拥罒o(wú)線電波透視法接收數(shù)據(jù)差值較大,背景值為3 dB左右,排除各項(xiàng)干擾因素,此次坑道無(wú)線電波透視法和音頻電穿透法數(shù)據(jù)均為可靠有效數(shù)據(jù),如圖5所示。

圖5 坑道無(wú)線電波透視法實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線Fig.5 Measured field intensity curve by tunnel radio wave perspective

4.2 坑道無(wú)線電波透視法成果分析

本次坑道無(wú)線電波透視法數(shù)據(jù)采用CT成像成果解釋,利用ART算法和SIRT算法得到各單元吸收系數(shù)值大小,通過(guò)反演計(jì)算繪制成像區(qū)吸收系數(shù)等值線圖[12]。結(jié)合工作面地質(zhì)資料分析,坑道無(wú)線電波透視法共圈定出4處異常區(qū),分別編號(hào)為DC1、DC2、DC3、DC4號(hào)異常,如圖6所示。

圖6 無(wú)線電波透視法成果圖Fig.6 Achievements of radio wave perspective method

根據(jù)無(wú)線電波透視法成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料對(duì)4處異常區(qū)段進(jìn)行綜合推斷分析。可知,DC1號(hào)異常區(qū)范圍較大,幅值相對(duì)較強(qiáng),對(duì)電磁波造成能量的損耗較大,致使主運(yùn)順槽接收的電磁波信號(hào)十分微弱甚至接收不到透射信號(hào),結(jié)合已知的地質(zhì)剖面圖判斷在工作面切眼內(nèi)160 m處標(biāo)志層出現(xiàn)缺失,推測(cè)是未揭露斷層引起的異常。DC2號(hào)異常區(qū)范圍較大,幅值相對(duì)較強(qiáng),探測(cè)至此處時(shí)電磁波信號(hào)發(fā)生明顯變化,結(jié)合兩順槽地質(zhì)剖面圖推斷,在切眼開(kāi)始輔運(yùn)順槽500 m左右巷道起伏明顯,煤層變薄夾矸增厚,在主運(yùn)順槽600 m左右?jiàn)A矸消失,而輔運(yùn)順槽相同的位置卻無(wú)夾矸出現(xiàn),推測(cè)異常區(qū)為斷層引起的異常。DC3號(hào)異常區(qū)范圍較大,幅值相對(duì)較強(qiáng),對(duì)電磁波造成能量的損耗較大,結(jié)合已知的地質(zhì)剖面圖判斷,推測(cè)異常區(qū)是已揭露斷層向工作面內(nèi)部延伸引起的。DC4號(hào)異常區(qū)范圍較小,幅值較強(qiáng),數(shù)據(jù)接收至此處時(shí)由于受DC1號(hào)異常區(qū)影響,使得原本比較微弱的電磁波信號(hào)直接消失。結(jié)合已知的地質(zhì)剖面圖判斷,推測(cè)是已揭露斷層向工作面內(nèi)部延伸引起的異常。

4.3 音頻電穿透透視法成果分析

音頻電穿透法可以探測(cè)22122工作面頂板上0～60 m附近層段內(nèi)巖層有5處異常區(qū),分別編號(hào)為YC1、YC2、YC3、YC4、YC5號(hào)異常,如圖7所示。

圖7 音頻電穿透法0～60 m成果圖Fig.7 Results of 0～60 m with audio electrical penetration

分析異常可知,YC1位于0～10號(hào)測(cè)量點(diǎn)(距離22122工作面切眼0～100 m)附近,幅值較強(qiáng),分析可能為基巖局部含水。YC2位于12～17號(hào)測(cè)量點(diǎn)(距離22122工作面切眼124～170 m)附近,幅值較強(qiáng),分析可能為基巖局部含水。YC3位于28～48號(hào)測(cè)量點(diǎn)(距離22122工作面切眼280～480 m)附近,幅值較強(qiáng),分析可能為基巖局部含水。YC4位于52～63號(hào)測(cè)量點(diǎn)(距離22122工作面切眼520～630 m)附近,幅值較強(qiáng),分析可能為斷層產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶。YC5位于66～84號(hào)測(cè)量點(diǎn)(距離22122工作面切眼667～840 m)附近,幅值較強(qiáng),分析可能為基巖局部含水。

4.4 綜合成果分析

結(jié)合無(wú)線電波透視和音頻電穿透成果綜合分析可知,無(wú)線電波透視法DC2號(hào)異常與音頻電穿透法YC4號(hào)異常有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系,無(wú)線電波透視法DC4號(hào)異常與音頻電穿透法YC5號(hào)異常局部存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)綜合對(duì)比分析,推測(cè)異常區(qū)為斷層產(chǎn)生導(dǎo)水通道。為驗(yàn)證音頻電穿透法成果準(zhǔn)確性,后期對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證,在異常區(qū)范圍內(nèi)布置鉆孔10個(gè),鉆孔均出水,驗(yàn)證了音頻電穿透與坑道無(wú)線電波透視法探測(cè)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

工作面寬度越大,回采工作中產(chǎn)生的不可控因素越多?？拥罒o(wú)線電波透視法和音頻電穿透法的綜合應(yīng)用極大提高了大寬面回采安全性,通過(guò)音頻電穿透法探測(cè)確定工作面上覆基巖含水層的范圍及平面位置;通過(guò)坑道無(wú)線電波透視法可以探測(cè)確定工作面內(nèi)部大型地質(zhì)體形態(tài)、分布范圍。2種方法的綜合應(yīng)用不僅可排除一些假異常體的干擾,同時(shí)能夠做到相互驗(yàn)證,為回采工作面防治水提供可靠保障。