綜合物探在采煤工作面構造及富水性探查中應用分析

＊李世斌

（山西焦煤汾西礦業集團高陽煤礦 山西 032306）

對于采煤工作面來說，一旦受到了區域斷層的影響，整個工作面的走向就會形成切斜狀的背斜構造，這對煤炭回采會產生比較大的影響。而且如果采煤工作面的構造中含水層比較多，那么也會影響煤炭回采的效果。所以就要對煤炭工作面的構造以及富水性情況進行探測，在探測過程中，可以采用綜合物探技術，利用瞬變電磁法、音頻電透視法等方法，對其進行綜合探測，保證探測效果得到提升。

1.采煤工作面地質情況

為了能夠保證煤炭采集更高效，大部分的采煤工作面都處于三采區，屬于野青解放層采煤工作面，工作面的高程是在-495m到-545m之一區域內。在采煤整個工作面中，煤層是屬于石炭系太原組底層，其穩定度比較高，而且內部的煤層厚度大概在1.2～1.6m之間。對于工作面頂板來說，其屬于野青石灰巖類型，砂質屬于泥巖，而工作面的底板則是由細砂巖和粉砂巖這兩種土質組成。在進行巷道掘進施工時，在采煤工作面中發現了38條正斷層，其斷距大約為0.2～4m，一旦斷距超過了1m，那么就會對工作面回采工作產生影響。而在采煤工作面中，含水層主要是包括石灰巖、大青灰巖、野青灰巖、巖溶縫隙等類型的含水層[1]。采煤工作面也存在積水采空區，積水的水位大約是在-454m左右，其積水的水量則是在2600m3，尤其是在工作面進行回采之后，工作面頂板的裂縫中就可能會出現滴淋水，對采煤產生影響。

2.綜合物探技術

（1）礦井瞬變電磁法。對于礦井瞬變電磁法來說，其是綜合物探技術中的一個主要探測方法，這一方法在進行探測的時候主要是以磁源作為激勵場源，這樣才能激發出可以向介質傳播的一種瞬變電磁場，這種電磁場也就是一次脈沖磁場。在一次脈沖磁場運行過程中，會出現間隙情況，在間歇時接收到介質，就會引起二次感應渦流場，這一磁場就可以更好地對地下介質的電阻率情況進行探測。由于礦井瞬變電磁技術對低阻體相對比較敏感，而且探測的距離比較遠，探測方向比較準確，所以在對采煤工作面的構造和富水情況進行探測的時候，就會采用這一技術，可以更好地了解工作面的結構以及含水現象，為后續的回采提供數據基礎。

（2）音頻電透視法。音頻電透視方法在應用的時候，需要先建立全空間電場，然后對全空間電場在采用工作面內部的分布情況進行觀測，進而可以全面掌握工作面內部的地質信息，這也是一種物探方法。在進行施工時，需要在工作面的巷道中，先建立人工場源，然后在另一條巷道所對應的扇形區域內進行信息接收，把工作面中的含水構造模擬成局部低阻良導電的異常體，并且通過分析全空間電場的分布情況，來探測到異常體內的一些特征。在探測的過程中，由于低阻體可以吸收電流，所以工作面內的含水構造就會顯示出高電導率的特點。在利用音頻電透視法進行探測的時候，如果工作面的地層垂向結構相同，橫向也比較均衡，那么在探測結果中，電導率數值越高，異常的幅度越大，也就說明工作面的含水性越強[2]。

（3）無線電波透視技術。在采用無線電波透視技術進行工作面構造及富水性探測的時候，其主要的原理就是根據電磁波的電阻率和介電常數，了解工作面內部地質的異常現象。主要是讓電磁波在煤層中進行傳播，傳播的時候其電阻率和介電常數就存在了差異性，對電磁波的吸收也就不同，根據電磁波吸收狀況，就可以對獨一工作面的地質異常現象進行探測。在正常情況下，此技術是需要在工作面順煤層的兩個巷道內進行，其中煤層中的一些斷層、破碎帶以及富含水區等構造，都能對電磁波進行折射、反射或者是吸收，這樣就造成電磁波能量出現損耗，根據損耗情況就會形成透視陰影的異常區域。在探測的時候，如果工作面內存在地質異常體，那么其衰減系數就比較大，如果不存在異常體，那么其衰減系數就比較小，故可以根據衰減系數，來探測工作面內是否存在異常現象，保證探測更加全面。

（4）并行電法。并行電法主要是一種直流電數據的采集方法，是基于高密度的電阻率方法所形成的，并行則是在發射電極進行供電時，對電位差信息進行測試，是一種直流電數據采集的方式。這種方法可以保證在采集數據時，電極不會出現閑置，提升工作效率，而且數據采集的效果也比較好。對于并行電法來說，其主要分為AM法以及ABM法，在相同的時間內，AM法所采集的數據是串行數據采集的(s-1)(s+3)/3倍，而采用ABM法進行采集的數據，則是串行數據采集的(s-2)(s-3)/2倍，其中S主要指的是電極數。在采集的時候，并行電法可以掌握自然場、一次場以及二次場的信息，并且通過計算，得出電場、電阻率等方面的信息，讓采集的數據更加豐富。并行電法在進行數據采集的時候，其具有同時性以及瞬時性，可以在供電時得到全部的電位曲線數據，讓數據采集更加真實，保證可以全面了解采煤工作面的構造以及富水性的情況。

3.采煤工作面構造及富水性的綜合物探操作

（1）礦井瞬變電磁的具體探測及結果。采用綜合物探的方法，可以對采煤工作面構造進行綜合的探測，可以采用瞬變電磁和無線電波透視兩種方法進行綜合的探測。在綜合物探中，礦井瞬變電磁的應用，就是根據多條小線框來發射電磁場的方向性，并且在探測中，認為線框的平面法線方向就是瞬變電磁的具體探測方向[3]。在采煤工作面進行實際運用的時候，主要是在工作面的上下順槽以及切巷等區域內布置相關的測點，測點之間的距離要控制在10m，一個完整的工作面中，可以設置120個左右的測點。在探測時，主要是以順工作面的煤層作為探測的基準，并且在底板方向，對幾個重點區域進行探測，主要是以發散的形式進行探測，讓整個探測更加全面。在進行探測的時候，儀器也要選擇YCS1024瞬變電磁儀，這一設備的邊長為1.5m，是一種正方形的重疊回線探測設備，能夠保證探測效果更好。

在探測結束之后，可以對采集到的數據進行去噪處理，計算出電阻率，然后開展時深轉換處理方法，通過轉換可以得到瞬變電磁探測的深度數據。此外，也要盡量提取和工作面比較近的含水層，這部分區域一般是伏青層，底板下放的深度為26m，對這一區域的電阻率開展瞬變電磁探測方法，建立基礎的坐標系，然后繪制出探測巖層的切片效果。根據具體的數據可以了解到，視電阻率的分布相對比較均勻，而且并沒有發現明顯的低阻情況，通過這一探測結果就可以了解到這一巖層的整體富水性是比較弱的。而且在回采之后，所了解的情況和探測的結果是相符合的，都沒有發現底板出現出水情況，其富水性比較弱。

（2）無線電波透視探測技術。在采用無線電波透視方法進行采煤工作面構造探測的時候，主要采用的是分辨率相對比較高的定點方法，也就是保證發射機是相對固定的，接收機則是在另一個相對應的巷道范圍內，注意接受發射機所發射的相關數值。在實際采煤工作面中，無線電波透視工作主要是在上下順槽之間的區域進行的，其中上順槽需要布置40個測試點，而下順槽則需要布置41個測試點，在接收點位布置的時候，每一點位之間的距離需要控制在10m左右，而在布置發射點的時候，其每一點位之間的距離需要控制在50m。其中1個發射點需要對應11個接收點。所以在采用無線電波透視探測技術對工作面構造進行探測的時候，就需要布置16個發射點，同時對應布置83個接收測點。在進行透視探測的過程中，也要選擇WKT-E類型的無線電波透視儀，為了能夠保證數據采集的質量得到提升，所以在開展透視工作之前，需要先對其進行頻率的試驗，可以在構造相對簡單的區域進行，測試的頻率數是穩定的之后，才能進行深入的探測[4]。

在探測結束之后，就要對探測出來的具體結果進行分析，經過無線電波透視探測技術，采煤工作面現場的強衰減系數是在0.25～0.42之間，而且工作面整體的衰減系數是不均勻的，這就說明工作面內構造較發育，而且異常區的衰減系數大于0.36。經過探測發現，在采煤工作面內有一個異常區，其位于下順槽區域，異常的規模比較大，把探測的數據和地質資料結合起來分析，發生這一異常區的主要原因是下順槽揭露的斷層逐漸向工作面內進行延伸，一直延伸到隱伏斷層中，而且隱伏小斷層也是造成衰減的主要原因。在工作面切巷50m的范圍內，具有多條小斷層，但是由于其受到貫通巷道的影響，所以接受場的數值比較大。在進行無線電波透視探測之后，受到了探測頻率以及透視方法的影響，其垂直的工作面走向斷層的探測效果是比較差的。為了能夠提升探測水平，那么就可以結合瞬變電磁探測方法，實現綜合物探效果，讓工作面的探測更準確。

（3）音頻電透視工作面含水構造。在對采煤工作面的地質進行勘測之后了解到，大部分采煤工作面的頂板上方是由粗砂巖、中砂巖以及細砂巖等多層含水層組成的。在工作面進行回采時，工作面頂板的含水層就會成為工作面的直接沖水含水層，由于工作面在進行巷道掘進工作的時候，會揭露斷層構造，這就會導致工作面頂板砂巖裂隙的富水是不均勻的，對礦井的安全開采造成了影響。在這一狀況下，就可以利用音頻電透視的方法，來對工作面的含水構造進行探測，利用此方法在工作面的回風巷發射音頻信號，然后在運輸巷接收信號，并且在探測的時候，可以采用平行單級-偶級的測量設備，發射可以采用低頻或者是高頻發射，低頻發射控制在15Hz左右，高頻發射控制在120Hz左右，在間隔50m的距離設置一個發射點，在另一個巷道中，間隔10m的距離設置一個接收點，保證發射、接收是同步的，進而來測量工作面內部含水構造的情況。

在對工作面的含水構造進行音頻探測之后，其探測的結果主要包括3個地方的異常，第一個異常是分布在運輸巷一側400m左右的范圍，以及回風巷240～360m的局部區域中，如果異常情況較小，而且遠離切眼，那么就會隨著深度的增加而消失，其他的異常區域都是隨著探測的深入都增大。當異常范圍在逐漸減小時，異常的強度也在逐漸減弱，而且異常上下都具有連接貫通的關系。第二個異常點位是分布運輸港一側760m左右的范圍，以及回風巷750～830m的局部區域中，異常范圍是比較小的。第三個異常點則是分布在運輸港一側1440m左右的范圍，以及回風巷1600～1800m的局部區域中，隨著探測的深度在不斷增加，異常的范圍也在逐漸減小，異常的衰減強度也在降低。通過采用音頻電透視方法對工作面的含水構造進行分析，探測相對比較準確，可以了解到不同異常區域的范圍，增強對工作面構造的了解程度[5]。

（4）并行電法探測方案及結果分析。在運用并行電法進行探測的時候，主要是在工作面的回風順槽頂板以及運輸順槽的頂板位置，分別布置一條測線，在布置的過程中，電極之間的間距需要控制在10m左右的距離，同時測線的長度要和采煤工作面的實際相吻合。在正常情況下，會設置3條長度為800m的測線，測線的總長度大約在2400m，保證對采煤工作面的構造進行全方位探測。

4.結論

綜上所述，分析了綜合物探在采煤工作面探測中的具體應用，可以讓工作面構造、富水性的探測水平得到提升，其探測的效果更強。在進行綜合物探的時候，主要采用礦井瞬變電磁、無線電波透視、音頻電透視以及并行電法，保證對工作面的構造情況和富水情況的探測更加全面、精準，讓采煤工作可以順利開展下去。