綜合物探技術在馬蘭礦10608工作面的應用

趙瀟輝

（西山煤電 馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦10608工作面走向長1720 m，傾斜長216 m，工作面回采煤層為二疊系下統山西組02號煤層，屬穩定可采近水平中厚煤層，煤層厚度1.00～2.60 m，平均2.11 m，煤層結構復雜，普氏硬度1.7。工作面水文地質條件復雜，主要水患有頂板砂巖含水層水和底板奧灰巖溶水。02號煤上部6.5m的K4砂巖和K5砂巖為承壓裂隙弱含水層，局部含水較豐富。根據掘進期間涌水情況分析，工作面在回采過程中預計會有淋滴水現象，根據導水裂隙帶高度公式計算，工作面回采后冒落裂隙帶高度為58m，會導通上部K4砂巖(平均厚3.0 m)及K5砂巖(平均厚8.0 m)承壓裂隙弱含水層，預計正常涌水量2 m3/h，如遇構造及裂隙發育段，頂板淋滴水會繼續增大，最大涌水量30 m3/h。工作面底板奧灰水靜水位標高+910 m，02號煤層底板標高+874 m～+905 m，施工段全部帶壓，02號煤至奧灰水界面最小間距175 m。根據帶壓開采宊水系數公式計算，工作面最大突水系數0.0159 MPa/m。工作面共揭露11條斷層，落差0.7～3.0 m，工作面巷道實際揭露4個陷落柱，根據鄰近工程及鉆孔資料分析，工作面中部局部節理發育，節理面基本平行巷道，受力后節理面易張開，造成底鼓、頂板破碎及瓦斯異常涌出等情況。鑒于10608工作面地質條件，需將工作面區域內的富水情況探測清楚，為工作面安全回采保駕護航。單一物探方法受其技術特征限制，難以完全滿足工作面探測要求。根據各種物探方法的使用范圍及優缺點，綜合應用無線電波坑道透視法和瞬變電磁法對10608工作面進行探測。

2 測區物探方法

2.1 無線電波坑道透視法原理簡介

無線電波坑道透視法是用來探測順煤層兩煤巷、兩鉆孔或煤巷與鉆孔之間的各種地質構造異常體。發射機與接收機分別位于不同巷道或鉆孔中，同時做等距離移動，逐點發射和接收；或發射機在一定時間內相對固定位置，接收機在一定范圍內逐點觀測其場強值。若在煤層中存在異常地質構造、破碎煤體及富水區等都會導致電磁波的能量損耗，出現透視異常區。該方法可以較好地對煤層內存在的斷層、陷落柱及破碎巖體進行探測，但對煤層頂底板地質異常探測有限。

2.2 瞬變電磁法原理簡介

瞬變電磁法(TEM)通過不接地回線或接地長導線供以雙極性脈沖電流，當回線中的穩定電流突然切斷后，根據電磁感應理論，發射回線中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場稱為一次磁場。一次磁場在周圍傳播過程中，如遇地下良導電的地質體，將在其內部激發產生感應電流，又稱渦流或二次電流，這種渦流瞬變過程，在空間形成相應的瞬變磁場，又稱為二次磁場。通過接收線圈測量二次場空間分布形態，就可發現地下異常地質體尤其是地下含水層（段）的存在，并確定異常體的電性結構和空間分布形態。

3 綜合物探方案設計

3.1 無線電波坑道透視方案設計

本次探測工作采用WKT-E型（大透距）無線電波坑道透視儀。馬蘭礦10608工作面實際探測長度1640 m，皮帶順槽與軌道順槽間寬度約為216 m。經井下探測頻率條件試驗，試驗區內發射頻率1.5 MHz，接收值較小（＜10 dB）且不穩定；0.5 MHz和0.3MHz頻率穿透性較強，接收值穩定，兼顧到較高分辨率，故選用0.5 MHz頻率進行工作面透視工作。本次探測測點間距設定為10m，發射點間距為50 m，每個發射點對應11個接收點。10608作面坑透工作在皮帶巷和軌道巷之間進行，共布置330個測點，66個發射點。其中，10608工作面軌道巷測點編號為：508～672號；10608工作面皮帶巷測點編號為：8～172號。點號都是從巷道入口（停采線）往切眼方向依次增大。圖1中綠色框內為10608工作面無線電波坑道透視邊界。

圖1 10608工作面坑道透視

表1 工作量統計

3.2 瞬變電磁法方案設計

需采用瞬變電磁法查明工作面及頂底板上下60 m范圍內的富水情況，數據采集采用YCS256本安型礦用瞬變電磁儀，重疊回線裝置。儀器及裝置相關采集參數如下：探測深度約80 m，測點間距為10 m，每個測點設計3個方向，對各測點進行編號并標記。工作量統計如表1所示。

4 物探效果分析

4.1 無線電波坑道透視

圖2中藍色曲線表示衰減場強值，紅色曲線表示實測場強值，綠色曲線代表某測點的衰減系數值。根據工作面地質資料，本次探測區域工作面傾向長度不一致（216 m/100 m/216 m），傾向長度長的區域接收場強值相對比傾向長度短的整體偏小，且在局部大范圍區域表現為強衰減，整體信號弱。本次數據處理采用了分段細化處理方法，以期實現對異常的較好反應。具體分段范圍為：發射點10～55段；發射點55～95段；發射點95～130段；發射點130～165段。

從本次探測工作可以看出，無線電波對10608工作面的異常區域有較好的反映，探測總體衰減系數范圍自0.37＜η＜1.06范圍之間。根據總體衰減系數分布情況可知，80～500 m、1060～1310 m和1500～1720 m范圍內，實測場強值相對500～1060m和1310～1500 m范圍整體偏大，根據分段CT成果圖發射點10～55段(η＞0.55)、55～95段（η＞0.58）、95～130段（η＞0.95）、130～165段（η＞0.50）區域為相對強衰減區，顯示為藍色或淺藍色區域；0～55段（η＞0.52)、55～95段（η＞0.55）、95～130段（η＞0.85）、130～165段（η＞0.45）區域為相對較強衰減區，顯示為綠色或淺綠色區。根據相對衰減強弱劃分異常，結合礦方提供的已知地質資料及圖紙進行異常范圍劃分，本次探測共圈定10處較為明顯的異常區，分別編號為：E1～E10號異常區。圖3中下邊邊界為10608工作面軌道巷，上邊邊界為10608工作面皮帶巷，探測起點為巷道入口的停采線前12m，即皮帶巷08#測點，對應軌道巷508#測點位置。結合地質資料，推斷工作面內的隱伏構造（如斷層、陷落柱）是造成異常的主要原因。

另外，在工作面軌道巷536#～543#測點之間，對應皮帶巷40#～43#測點之間的區域，場強衰減范圍為-5～13 dB，場強衰減相對其他非異常區域較大，推測該區域為掘進過程中軌道巷揭露的落差0.8 m正斷層所致，大概延伸至軌道巷544#測點相對應工作面內部的位置。在工作面軌道巷639#～645#測點之間，對應皮帶巷139#～147#測點之間的區域，場強衰減范圍為-5～12 dB，場強衰減相對其他非異常區域較大，推測該區域為掘進過程中兩巷道揭露的落差1.0 m正斷層所致。

4.2 瞬變電磁法

圖2 馬蘭礦10608工作面無線電波坑透成果

井下采集的數據須經過進一步的處理和解釋，才能將所測得的數據轉化為生產中所需要的物探和地質成果。在視電阻率斷面圖上，若地層中無含導水構造或富水區域，則視電阻率變化平穩，反之則會出現明顯低阻異常區。

在皮帶順槽和軌道順槽3個方向探測范圍內，縱向深度0～15m為物探盲區，視電阻率均大于5Ω·m，無富水異常區。

切眼探測結果見圖3，切眼內三個方向探測范圍內，縱向深度0～15 m為物探盲區，紅線圈定的視電阻率小于10Ω·m的區域為富水異常區，位置見圖2。

經過對視電阻率擬斷面圖的分析得出13個富水異常區，具體位置如下：

①切眼斜向上45°探測異常區5個：

（a）E1：切眼橫向0～5m、縱向40～60 m范圍；

（b）E2：切眼橫向28～115m、縱向35～80 m范圍；

（c）E3：切眼橫向135～150m、縱向55～75 m范圍；

（d）E4：切眼橫向170-205m、縱向55～75 m范圍；

（e）E5：切眼橫向215～220m、縱向45～65 m范圍。

②切眼順層探測異常區4個：

（a）E6：切眼橫向0～100m、縱向30～80 m范圍；

（b）E7：切眼橫向120～140m、縱向65～80 m范圍；

（c）E8：切眼橫向160～185m、縱向45～75 m范圍；

（d）E9：切眼橫向195～220m、縱向25～75 m范圍。

③切眼斜向下45°探測異常區4個：

（a）E10：切眼橫向0～10m、縱向20～70 m范圍；

（b）E11：切眼橫向50～60m、縱向70～80 m范圍；

（c）E12：切眼橫向75～85m、縱向45～70 m范圍；

（d）E13：切眼橫向170～185m、縱向70～80 m范圍。

圖3 切眼電阻率擬斷面

5 結語

1）本次坑透共發現異常區10個，異常區域可能是受各類地質構造影響，也有可能受煤厚變化、煤質變化及瓦斯積聚的影響，而這些異常區域往往存在應力集中和瓦斯積聚的隱患，因此在后續生產過程中需進一步對異常區域進行驗證，做好安全防護工作，保證礦井安全生產。

2）由于瞬變電磁法探測時，皮帶順槽和軌道順槽金屬干擾較多，對探測數據產生較大影響，可能會屏蔽真實的低阻異常。因此，在回采時要加強涌水量觀測，工作面內部有斷層和陷落柱，回采過程中有滯后導水的可能，回采時應密切注意，保證安全。