井下綜合物探技術(shù)探測(cè)隱伏小煤窯采掘范圍研究

江微娜 雷凱麗

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400039)

煤炭資源長(zhǎng)期以來一直是我國(guó)的主要能源，由于歷史原因，我國(guó)不少大型煤炭生產(chǎn)基地周邊都存在著小煤窯的肆意破壞，這些小煤窯大多沒有采掘圖紙、濫挖亂采，形成許多富含水、瓦斯甚至是火災(zāi)的隱伏采空區(qū)，且采空區(qū)雜亂而無規(guī)律可循，極易引發(fā)難以預(yù)測(cè)的地質(zhì)災(zāi)害，給大型煤礦的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患和巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此亟待采用先進(jìn)的、綜合的物探技術(shù)手段來查明小煤窯的采掘范圍[1]。為此，在總結(jié)小煤窯采空區(qū)地球物理探測(cè)的技術(shù)現(xiàn)狀及小煤窯采掘范圍地層的地球物理特征的同時(shí)，結(jié)合以往探測(cè)經(jīng)驗(yàn)和一些成功實(shí)例，采用礦井瞬變電磁法、四極測(cè)深法及礦井地質(zhì)雷達(dá)法3種物探方法來精確探測(cè)小煤窯的采掘范圍及采空區(qū)內(nèi)的積水狀況，為煤礦的安全掘進(jìn)和回采提供可靠資料[1-6]。

1 井下綜合物探技術(shù)原理

1.1 礦井瞬變電磁法探測(cè)原理

礦井瞬變電磁法的探測(cè)原理跟地面瞬變電磁法的原理類似，但是由于井下巷道截面積有限，因此探測(cè)時(shí)采用的發(fā)射線框一般為2 m×2 m的多匝回線，收發(fā)同框形成重疊回線，有效探測(cè)深度跟儀器的功率有關(guān)，一般可以測(cè)到100 m左右。礦井瞬變電磁法感應(yīng)電流是在以回線平面為中心的兩側(cè)全空間范圍內(nèi)擴(kuò)散，反映的地層信息也是全空間的，其擴(kuò)散規(guī)律形成的“煙圈效應(yīng)”[1]如圖1所示。接收到的場(chǎng)強(qiáng)攜帶所能探測(cè)范圍的全部地層電性特征，視電阻率用于表征全空間的電性特征，其計(jì)算公式為[1,7]：

(1)

式中：B——表征井地關(guān)系的比例系數(shù)；

C——全空間響應(yīng)系數(shù)；

S——接收回線的面積，m2；

s——發(fā)射回線的面積，m2；

N——接收回線的線圈匝數(shù)，匝；

n——發(fā)射回線的線圈匝數(shù)，匝；

t——二次場(chǎng)的衰減時(shí)間，s；

1.2 井下四極測(cè)深法探測(cè)原理

井下四極測(cè)深裝置的工作原理如圖2所示。給裝置的A、B電極供電后，在巷道周圍全空間范圍內(nèi)形成一個(gè)電流場(chǎng)，大部分電流集中在ACB半球內(nèi)流通。逐漸增大A、B電極間的距離到A1B1和A2B2，電流會(huì)集中到更大的半球體A1C1B1和A2C2B2內(nèi)。以此類推，逐漸增大供電電極A、B的距離，而保持測(cè)量電極M、N不動(dòng)，電流的分布范圍就會(huì)更廣更深。隨著供電電極A、B之間的距離逐漸增大，可以測(cè)到不同深度的ρs值，這就反映了測(cè)點(diǎn)處從淺部到一定深度范圍內(nèi)巖層的電性變化情況[2,4,8-9]。

圖1 礦井瞬變電磁法“煙圈效應(yīng)”

圖2 四極測(cè)深法工作原理示意圖

1.3 礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

2 地球物理響應(yīng)特征

由于小煤窯采掘后形成采空區(qū)使得煤巖層的連續(xù)性遭到不同程度的破壞，從而造成煤巖層的電性特征在橫向和縱向上均發(fā)生變化。當(dāng)小煤窯井筒及采掘巷道不含水時(shí)，電性特征表現(xiàn)為視電阻率值相對(duì)較高；當(dāng)小煤窯井筒及采掘巷道潮濕或含有微量水時(shí)，電性特征表現(xiàn)為視電阻率值相對(duì)較低；當(dāng)小煤窯井筒及采掘巷道充滿水時(shí)，電性特征表現(xiàn)為視電阻率值更低。此外，如果小煤窯采掘巷道不含水但是有導(dǎo)電性材料存在時(shí)，電性特征也會(huì)表現(xiàn)為視電阻率值較低[1,4-5,7]。因此，通過探測(cè)小煤窯及采掘巷道煤巖層的視電阻率值及其變化規(guī)律，可以查明小煤窯采掘范圍及其富水特征。

礦井瞬變電磁法、四極測(cè)深法和礦井地質(zhì)雷達(dá)法組成的井下綜合物探技術(shù)是探測(cè)煤巖層電性特征的差異性變化的[1-3]。小煤窯采掘范圍包括井筒和已采掘巷道，均在煤系地層進(jìn)行，而煤系地層呈層狀分布，橫向電性分布均一，如果碰到小煤窯采掘活動(dòng)形成的采空區(qū)時(shí)，礦井瞬變電磁法和四極測(cè)深法探測(cè)資料會(huì)出現(xiàn)電性差異的異常反應(yīng)，礦井地質(zhì)雷達(dá)法會(huì)在異常區(qū)域形成走時(shí)變化特征，但由于異常區(qū)填充物質(zhì)對(duì)電磁波有不同程度的吸收，這樣可以查明不良地質(zhì)體[10-11]。

3 工程應(yīng)用

團(tuán)柏煤礦10-303工作面布置在10#煤層，位于太原組下段，上距9#煤層1.36 m，煤層厚度為1.85～1.95 m，平均1.90 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—中等，不含夾矸，厚度有一定變化，煤層穩(wěn)定，賦存區(qū)可采。煤層頂板為泥巖，底板為鋁質(zhì)泥巖。工作面回采可能受到2個(gè)小煤窯采掘范圍的影響，根據(jù)實(shí)際走訪調(diào)查得知，7號(hào)小煤窯見2#煤層，8號(hào)小煤窯見11#煤層，8號(hào)小煤窯立井用水泥框堵但均未嚴(yán)格封閉，井筒分別距10-303(1)巷口140 m、108 m左右。如果7號(hào)小煤窯只掘進(jìn)到2#煤層，那么理論上不會(huì)導(dǎo)通2#煤層采空區(qū)積水。但是為了更好地確定小煤窯采掘范圍，決定對(duì)7號(hào)和8號(hào)小煤窯的采掘范圍進(jìn)行探測(cè)。

3.1 探測(cè)方案

礦井瞬變電磁探測(cè)在三采區(qū)膠帶巷右側(cè)幫和三采區(qū)軌道巷的兩側(cè)幫進(jìn)行，測(cè)線均布置在給定的7號(hào)小煤窯和8號(hào)小煤窯可能位置為中心的兩邊各100 m，布置測(cè)線長(zhǎng)度各為205 m，測(cè)點(diǎn)間距為5 m，探測(cè)方向垂直于側(cè)幫。

四極測(cè)深法探測(cè)在三采區(qū)軌道巷右側(cè)幫進(jìn)行，測(cè)線起始點(diǎn)布置在給定的7號(hào)小煤窯可能位置為中心兩邊各90 m，共布置測(cè)線長(zhǎng)度為180 m，從外向內(nèi)沿底板探測(cè)。

礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)分別采用50 M天線和100 M天線在三采區(qū)膠帶巷右側(cè)幫、軌道巷兩側(cè)幫給定的7號(hào)小煤窯和8號(hào)小煤窯可能位置為中心，兩邊各探測(cè)50 m，布置3條測(cè)線。

3.2 地質(zhì)成果及解釋

3.2.1 礦井瞬變電磁探測(cè)成果及解釋

三采區(qū)軌道巷兩側(cè)幫瞬變電磁探測(cè)視電阻率斷面圖見圖4。從圖4中左側(cè)幫可以看出7號(hào)小煤窯附近的視電阻率值相對(duì)較高，判斷為不含水，但不能確定小煤窯是否采掘到10#煤層；從圖4中右側(cè)幫可以看出8號(hào)小煤窯附近的視電阻率值為中等偏低，判斷為含水，但不能確定小煤窯是否采掘到10#煤層或以下。

圖4 三采區(qū)軌道巷兩側(cè)幫瞬變電磁探測(cè)視電阻率斷面圖

3.2.2 四極測(cè)深法探測(cè)地質(zhì)成果及解釋

探測(cè)深度0～40 m的四極測(cè)深探測(cè)視電阻率斷面圖見圖5。從圖5中可以看出樁號(hào)0～110 m范圍內(nèi)視電阻率值較高，判斷為不含水，說明7號(hào)小煤窯不含水；樁號(hào)110～180 m范圍內(nèi)視電阻率值為中等偏低，判斷為弱含水，說明8號(hào)小煤窯含水或弱含水，也可能是由于受到巷道帶電設(shè)備的影響所致，此種情況下判斷為不含水，但不能確定小煤窯是否采掘到10#煤層或以下。

圖5 四極測(cè)深探測(cè)視電阻率斷面圖

3.2.3 礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地質(zhì)成果及解釋

采用100 M和50 M雷達(dá)天線礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖見圖6。圖6(a)為采用100 M雷達(dá)天線從軌道巷沿左側(cè)幫探測(cè)7號(hào)小煤窯成果圖，從探測(cè)結(jié)果圖上分析發(fā)現(xiàn)了給定的7號(hào)小煤窯，位置處于前期預(yù)測(cè)的地點(diǎn)，7號(hào)小煤窯井筒距離側(cè)幫約14～18 m，說明7號(hào)小煤窯很可能掘進(jìn)到10#煤層。在給定的小窯井筒兩側(cè)還存在2處較為明顯的異常，推斷為小陷落柱或小窯采掘巷道的異常區(qū)，其中左側(cè)異常區(qū)距離7號(hào)小煤窯位置(探測(cè)中心位置)約15～35 m，距離側(cè)幫約13～18 m；右側(cè)異常區(qū)距離7號(hào)小煤窯位置(探測(cè)中心位置)約15～40 m，距離側(cè)幫約12～18 m。

圖6(b)為采用50 M天線從軌道巷沿左側(cè)幫探測(cè)8號(hào)小煤窯成果圖。探測(cè)過程中，在測(cè)線25 m 處巷道有個(gè)較大的硐室，在圖中反應(yīng)明顯。從探測(cè)結(jié)果圖上分析，發(fā)現(xiàn)了給定的8號(hào)小煤窯，位置處于前期預(yù)測(cè)的地點(diǎn)，8號(hào)小煤窯井筒距離側(cè)幫約26～30 m，說明8號(hào)小煤窯也可能掘進(jìn)到10#煤層。除了在小窯井筒附近，其他探測(cè)區(qū)域很少有類似空腔、陷落柱等形態(tài)的雷達(dá)波反應(yīng)，說明8號(hào)小煤窯在10#煤層中采掘范圍較小，主要集中在井筒20 m范圍內(nèi)。

圖6 礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖

3.3 地質(zhì)驗(yàn)證

因三采區(qū)10-303工作面回采直接受到這2個(gè)小煤窯的影響，所以在回采前必須對(duì)2個(gè)小煤窯的采掘范圍及采空區(qū)充水情況進(jìn)行確認(rèn)，方可確保回采生產(chǎn)工作安全。結(jié)合井下綜合物探成果，在每個(gè)小煤窯可能的采掘范圍各布設(shè)3個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示7號(hào)小煤窯已經(jīng)掘到10#煤層，小窯井筒位置就是采掘工程平面圖上所示位置，距離軌道巷14～20 m，不含水，小窯在10#煤層存在采掘巷道延伸，從井筒位置向東西兩側(cè)平行3條大巷延伸約50 m范圍；8號(hào)小煤窯已經(jīng)掘進(jìn)到10#煤層，小窯井筒位置就是采掘工程平面圖上所示位置，距離軌道巷26～30 m，顯示含水，但是在10#煤層中的采掘活動(dòng)范圍較小，集中在井筒20 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域未發(fā)現(xiàn)采掘活動(dòng)。

4 結(jié)論

井下綜合物探技術(shù)相互佐證，綜合判斷分析，在小煤窯采掘范圍、采空區(qū)探測(cè)中具有明顯的地質(zhì)效果，達(dá)到了高精度、全方位、立體化、多效用的探測(cè)目的，結(jié)合已有的地質(zhì)資料，為小煤窯采掘范圍和采空區(qū)分布及充水性確定提供真實(shí)可靠的資料。

工程應(yīng)用采用井下綜合物探技術(shù)對(duì)小煤窯的采掘范圍進(jìn)行了探測(cè)，并且通過鉆孔驗(yàn)證小煤窯井筒的位置及采掘的大致范圍，與井下綜合物探技術(shù)探測(cè)結(jié)果吻合較好。實(shí)踐表明，由于物探方法存在多解性，而且電磁類方法在井下不可避免會(huì)受到電磁干擾的影響，因此采用綜合物探技術(shù)可以互相驗(yàn)證，增加探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率，再結(jié)合地質(zhì)、水文及鉆探等方面資料進(jìn)行綜合分析和解釋，探測(cè)效果會(huì)更理想。