陷落柱導水性綜合探查技術在采煤工作面中的應用

郭長明

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團，山西 介休 032000)

陷落柱是華北地區(qū)煤炭開采時常遇見的地質構造，雖然多數(shù)揭露的陷落柱不具備導水性，但也有部分礦井誤揭陷落柱導致突水事故，造成較大的安全威脅和經(jīng)濟損失[1-2]。因此，對采面開采范圍內可能存在的陷落柱進行探測，根據(jù)探測結果及早制定應對預案，對提升采面煤炭生產(chǎn)效率具有顯著的促進作用[3]。對于可能存在陷落柱的采面，需要精準探測陷落柱的發(fā)育位置、確定導水性及含水性，以便評價陷落柱對煤層回采的影響[4-7]。物探具備探測范圍廣泛、操作便捷等優(yōu)點，在煤礦井下應用較為廣泛[8]。為此，文章就采用綜合探測技術對山西某礦81105綜采工作面開采范圍內的陷落進行探測，現(xiàn)場取得較好的應用效果。

1 工程概況

81105綜采工作面位于8采區(qū)，回采11號煤層，煤層均厚4.75 m，賦存穩(wěn)定，是礦井主采煤層。81105綜采工作面設計走向推進長度1 550 m、采面寬度240 m，根據(jù)地面三維地震探測資料顯示，在81105綜采工作面開采范圍內存在陷落柱，大致確定的陷落柱在采面內的發(fā)育位置如圖1所示。

圖1 陷落柱在采面內發(fā)育位置示意

為更好地確定采面內陷落柱的發(fā)育位置，采用物探及鉆探相結合的方式確定具體陷落柱位置，并提出采用跳采方式過該陷落柱。新切眼距離陷落柱邊緣為50 m.81105綜采工作面回采巷道采用坑透、三維電法技術對陷落柱發(fā)育位置進行探測，并通過鉆探方式驗證陷落柱發(fā)育及導水性。探測結果為新切眼位置確定提供了指導。

2 陷落柱綜合探測

2.1 采面坑透

81105綜采工作面開采范圍11號煤層頂?shù)装鍨榉€(wěn)定的泥巖、砂巖，電阻率較低；回采的11號煤層電阻率較高，電磁波沿著11號煤層傳播方向較遠。當采面內電磁波遇到陷落柱等地質構造時，電磁波能量損失嚴重，在接收端接收到微弱信號或者接收不到信號，因此可通過坑透方式確定采面內陷落柱發(fā)育位置。81105綜采工作面采用的坑透設備型號為WKT-6型，發(fā)射頻率為0.365 MHz，在采面運輸巷內發(fā)射無線電波并在回風巷內布置接收機逐點接收電磁波場強，發(fā)射點及接收點間距分別為25 m、5 m.具體采面坑透成果，如圖2所示。

圖2 采面坑透成果圖

從圖2看出，在探測范圍中部位置，電磁波吸收系數(shù)較高(數(shù)值普遍高于0.034 db/m)，而在正常煤層段內電磁波吸收系數(shù)約為0.02 db/m.因此判定采面中部電磁波吸收系數(shù)較高區(qū)域為陷落柱發(fā)育區(qū)。

2.2 震波CT探測

11號煤層頂?shù)装迥鄮r、砂巖等密度介于2.2～2.8 g/cm3，橫波及縱波波速分別為1.6～2.8 m/s、3.0～4.8 m/s；而煤層密度及橫波、縱波波速均較低，具體密度范圍為1.0～1.5 g/cm3，橫波及縱波波速分別為0.9～1.4 m/ms、1.8～2.4 m/ms，且波阻抗差異較大，可滿足震波CT探測條件。

在81105綜采工作面運輸巷及回風巷內靠近陷落柱位置分別布置震源炮點(間隔10 m)、檢波點(間隔10 m)，通過CT成像系統(tǒng)對接收到的地震波數(shù)據(jù)進行分析，以便確定探測范圍內地質異常體(陷落柱)分布范圍、形態(tài)及位置。地震儀型號為GeoPen-SE2404NTm，具體探測成果如圖3所示，從圖中看出，在探測區(qū)中部位置有高縱波波速分布區(qū)(波速范圍3.4～5.5 m/ms)，探測區(qū)域內煤層正常縱波波速范圍內1.8～3.0 m/ms，該高縱波波速區(qū)即為陷落柱發(fā)育區(qū)。

圖3 震波CT探測成果圖

采用坑透、震源CT確定的陷落柱邊緣稍微有些差異，但是主體位置一致，兩種物探結果疊加重疊區(qū)為陷落柱分布區(qū)，確定的陷落柱范圍明顯小于地面三維地震確定的陷落柱范圍，具體結果如圖4所示。

圖4 綜合物探確定陷落柱范圍

2.3 三維電法探測

11號煤層為高電阻地層，煤層頂?shù)装迥嗌皫r、泥巖等均為低電阻地層。煤層對頂板、底板內存在的電場有一定的排斥作用，將電極布置在底板中則可反映底板巖層導電性分布情況。陷落柱正常情況下裂隙發(fā)育，與圍巖間有明顯的電性差異，表現(xiàn)出高電阻率特征；當陷落柱內部含水時則表現(xiàn)低電阻率特征。因此可通過三維電法對陷落柱延伸分布情況進行探測并確定是否具備含水性(導水性)。

在81105綜采工作面內采用WBD型三維電法探測儀，在靠近陷落柱的回風巷內按照5 m間距向沿頂板布置電極，在運輸巷內布置供電電極，對探測范圍內進行電法穿透探測。將獲取到的探測數(shù)據(jù)結合三維電阻率層析成像反演，從而得到采面煤層頂板內三維電阻率分布圖像。結合采面現(xiàn)有資料，即可得到采面頂板地質異常體分布范圍及含水性。具體煤層頂板三維電法反演結果如圖5所示。從探測結果看出，陷落柱在煤層頂板影響范圍有所增大，陷落柱內部視電阻率較高(分布范圍介于50～150 Ω·m之間)，而正常情況下巖體視電阻率介于10～50 Ω·m之間，表明探測深度范圍內陷落柱不含水。

圖5 三維電法探測成果圖

為確定陷落柱導水性并對物探成果進行驗證，在81105綜采工作面回采巷道靠近陷落柱的位置布置鉆孔，對陷落柱發(fā)育位置以及導水性進行探測。具體鉆孔布置參數(shù)見表1.施工的探測鉆孔在物探確定邊界揭露陷落柱，且鉆進至陷落柱內時未出現(xiàn)涌水情況。取樣發(fā)現(xiàn)，陷落柱內充填物為泥巖、粉砂巖等，內部巖體破碎。探測確定的陷落柱發(fā)育范圍與物探方式基本一致。由于陷落柱分布范圍較大，為降低陷落柱對生產(chǎn)的影響，采面采用跳采方式過該陷落柱，并依據(jù)物探及鉆探確定陷落柱位置，將新切眼布置在距離陷落柱邊緣10 m位置，相對于原設計位置(距離陷落柱邊緣50 m)可增加40 m回采距離，可在一定程度提升采面煤炭生產(chǎn)效益。

表1 探測鉆孔施工參數(shù)

3 結 語

1) 陷落柱發(fā)育區(qū)內裂隙發(fā)育，陷落柱與煤巖體間在電阻率及波速等方面有明顯差異，因此可通過坑透、震波CT透視方法確定采面開采范圍內陷落柱發(fā)育位置。

2) 陷落柱與周邊煤巖體間有明顯的電阻率差異，陷落柱具備導水性(含水)時視電阻會偏低；而不含水時，由于內部裂隙發(fā)育，視電阻會偏高。采用三維電法探測技術對陷落柱內部含水情況進行探測，發(fā)現(xiàn)探測范圍內陷落柱內部視電阻率介于50～150 Ω·m之間，明顯高于一般煤巖體視電阻率(10～50 Ω·m)，從而判定陷落柱內部不含水。

3) 采用鉆探方式對陷落柱進行探測，鉆探確定的邊界與物探確定邊界基本一致，且未探測陷落柱內部含水，表明現(xiàn)場采用的綜合物探技術結果可信度較高。