极不规则工作面下的常用物探方法设计及施工.pdf

第46 卷第7 期2023年7 月地测与水害防治极不规则工作面下的常用物探方法设计及施工煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023陈龙（冀中能源股份有限公司东庞矿，河北邢台0 542 0 1）摘要：煤矿生产过程中遇到地质复杂区域，为避免煤炭资源浪费，在工作面的设计过程中，可能采用沿断层走向掘进巷道，产生极不规则的工作面。本文以东庞矿2 9 1 3 工作面为例，阐述了几种常用物探方法的探测原理和设计方法、注意事项。确保了工作面在防治水工作中的安全要求，为极复杂形状工作面中的物探设计提供了一些借鉴。关键词：极不规则工作面；瞬变电磁；无线电波坑透中图分类号：TD74文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 48-0 4Design and construction of common geophysical detectionmethods under extremely irregular working faceChen Long(Dongpang Mine,Jizhong Energy Resources Group Co.,Ltd.,Xingtai 054201,China)Abstract:When the geological complex area is encountered in the process of coal mine production,in order to avoid thewaste of coal resources,the roadway may be excavated along the fault in the design process of the working face,whichproduces the extremely irregular working face.Taking No.2913 Face of Dongpang Mine as an example,this paperexpounded the detection principle,design method and matters needing attention of several common geophysical detectionmethods.It ensured the safety requirements of the working face in the water prevention and control,and provided somereference for the geophysical detection design in the extremely complex shape working face.Key words:extremely irregular working face;transient electromagnetism;radio wave tunnel perspective灰顶界面距离一般大于1 7 0 m，工作面开采过程中1概况在无导含水构造、陷落柱破坏的情况下，一般不会冀中能源股份有限公司东庞矿2 9 1 3 工作面为发生奥灰水突水事故。因此，探查工作面中存在的2号煤综采工作面，工作面长1 3 0 0 1 40 0 m，宽隐伏导、含水构造、隐伏陷落柱，是此次物探设计952 2 0 m，煤厚4.6 m，顶板为粉砂岩，底板为的重点。细砂岩。工作面延煤层走向，标高-2 2 0 一-3 0 0 m2物探方法选择（图1）。从图1 中可以看出由于受客观地质条件的影响，该工作面布置处于多条断层中间（南f208、f 2 1 3、f 2 1 4、f 2 1 5、f 2 1 6、f 2 1 7、f 2 2 4、S F 2 3、SF19等），工作面的宽度不断变化，回采难度极大。另外由于受承压水影响，2 号煤下距野青灰岩57m、山青灰岩9 1 m、大青灰岩1 3 0 m、奥灰强含水层1 7 0 m。主要含水层为大青、本溪灰岩、奥灰，其中奥灰为强含水层。但2 号煤距离奥责任编辑：高小青D0I：1 0.1 9 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 7.0 1 3作者简介：陈龙（1 9 8 9 一），男，河南濮阳人，工程师。引用格式：陈龙.极不规则工作面下的常用物探方法设计及施工J.煤炭与化工，2 0 2 3，46（7）：48-51.48工作面形成后，为保证安全回采，按照防治水手册要求一般采取至少2 种方法以上的综合物探技术。针对工作面内部隐伏导、含水构造分别进行不同方法的探测。此次以无线电波坑道透视、多角度瞬变电磁探测、高密度电测深3 种常用物探方法为例，详细叙述上述方法在设计及施工中注意事项。陈龙：极不规则工作面下的常用物探方法设计及施工2023年第7 期2913工作面KT2图1 东庞矿2 9 1 3 工作面平面示意Fig.1 Plane of No.2913 Face in Dongpang Mine覆盖不全区域3现场工作面物探布置及注意事项3.1瞬变电磁技术此次工作面采用加拿大GEONICS公司的PROTEMCM瞬变电磁仪，设计测点间距一般为1 0m，为避免工频干扰，激发频率选取2 5Hz，发射框采用小尺寸1 m1m线框，接收线框为0.5m圆形单分量线框。积分时间不小于8 s，数据采用全时域3 0 门采集。探测区域为2 9 1 3 工作面轨道巷两帮、皮带巷两帮、切眼外帮。其中轨道巷测线长度1 3 7 0 m，皮带巷测线长度1 2 8 0 m，切眼测线长度1 0 0 m，总计测线长度2 7 50 m。探测角度分别为：轨道巷里帮-2 0、-50、-80，外帮-2 0、-50、-8 0；皮带巷里帮-20、-50、-8 0，外帮-2 0、-50、-80。切眼外帮及超前垂向探测角度为0、-20、-50、-8 0，切眼超前左侧右侧，间隔1 5，共7 个角度探测（图2）。2193皮带巷2193皮带巷图2 工作面内外瞬变电磁角度探测示意Fig.2 Transient electromagnetic angle detection insideand outside the working face虽然在物探角度设计中充分考虑到了工作面外围控制6 0 m的探测要求，若按照常规探测设计，就会发现在工作面巷道的转角处任然会出现探测覆盖不全的区域（图3)。因此要在工作面向外突出的相应拐角点，增加向外的瞬变电磁扇形覆盖，相应的会增大一部分工作量，但也达到了工作面外围6 0 m的无盲区全覆盖。269.274723方位3 4.43-270.25113B74264.22360B68躲避碱2554550.B01-265.9506.0792039-270.324.39封闭良好图3 未能覆盖的瞬变电磁探区域示意Fig.3The irrecoverable area of transientelectromagnetic detection3.2无线电波坑道透视技术此次工作坑透机为多频机型，频率有1 7 5、310、51 0、9 2 5k H z 四种。针对2 9 1 3 工作面宽度不同的变化，应适当的调整坑透机的发射和接收频率，以达到更好的探测效果。此次探测共选用3 种探测频率分别为1 7 5、3 1 0、51 0 kHz。在工作面的里段切眼附近工作面宽度仅为9 0 m左右，选用510kHz；随着工作面的变宽达到1 2 0 1 6 0 m，选择3 1 0 kHz；在工作面的中部时宽度达到了2 0 0 m左右，应选择穿透性能更好的1 7 5kHz。通常频率选择越高，对内部构造探测的分辨率越高；频率选择越低，可以达到较远的穿透效果，相应的分辨率就会降低。因此在不同的工作面宽的条件下，再结合煤厚、煤种的不同及地质条件的复杂程度对工作频率的正确选择，才能达到较好的探测效果。此次工作面轨道巷、皮带巷各布置发射点2 2个，共计44个，间距不大于50 m，每个发射点布置接收点1 5个，共完成坑透物探长度1 3 2 5m。在工作面向内的拐角点进行了同点不同方向的发射，以达到工作面的全面覆盖（图4）。3.3电测深此次电测深工作采用高密度三极电测深装置为三极AMN装置，并通过减小测点间距和加密供电极、测量极密度，形成了高密度三极断面探测效果，确保了现场探测的数据采集质量。探测区域为整个2 9 1 3 工作面的轨道巷和皮带巷。在轨道491652913工作面轨道752023年第7 期巷测布置深点47 个，在皮带巷布置测深点44个，两巷测深点共计9 1 个。现场发射测点间距3 0 m，测量极距步长5m，测深8 0 m，满足矿方探测需求。方位5743-1395B84100方位3 443 1 3 -2 3 0 1 1 0二次发射方向图4同点不同方向发射示意Fig.4 The emission in different directions at the same point由于工作面的拐弯较多，导致现场电法布置困难。通常电测深一般布置在直线巷道，这样对现场探测及数据分析，以及最后的深度反演可以达到较好的预期效果。但在这种极复杂不规则工作面的布置存在相当的难度，如果只在直巷中布置线，则会出现多处探测盲区（图5），如何利用现有条件，解决问题是该工作面电测深物探工作的难题。269.274B72.方位3 4 43 1 3 60电测深探-264.223测盲区B68躲避碱5550B70-265.95086.70图5巷道电测深现场探测盲区Fig.5 The blind area of on-site detection ofroadway electric depth-measurement不同深度的三极电测深的视电阻率表达式为：p s=U/I3.1 4(40 A 0 A-MN MN)/1 0 0 0 MN(1)式中：ps为视电阻率，1 0 0 0 为装置系数；0 A为发射极距；MN为测量电极极距。由于巷道拐弯的缘故，MN极距已经不能再是通常情况下的正常极距，应通过OA不同位置进行相对计算，得到准确的探测深度。4物探施工技术措施煤矿井下物探数据质量在很大程度上取决于探测环境条件，在进行探测工作前，矿方提供良好的50煤炭与化工环境条件，最大限度地较少干扰影响，是取得有效物探数据的前提。为了取得现场高质量的资料，确保资料的可靠性。对3 种物探方法采取不同的现场技术措施。-242.855（1）瞬变电磁探测期间，巷道内除保障基本B82-238.182一次发射方向-240-250-26092034.39第46 卷的通讯、监测电缆外，所有的动力电缆断电，对工-232.878B86105B8811565作面周边1 0 0 m范围内采取停电措施，并降低井下无线通讯存在的干扰，以达到削减电磁环境噪音的影响。（2）瞬变电磁现场操作过程中发射和接收线框放置时，尽量躲开各类金属物，最大限度地减少各种金属体对电磁波的吸收。（3）无线电波坑透现场工作应严格按照设计角度发射，同时测量现场环境的背景场及观测是否存在随机干扰。对于现场条件限制地区，应加大测点密度，以获取更多有效信息。坑透探测接收点距应统一保持1 0 m距离，发射点严格按照设计点布置，遇特殊情况偏差不能大于5m。（4）电法测量中，要求采用铜电极作为发射、接收电极，减小电阻损耗。并且M、N测量电极使用导电率高的直径2 cm粗的金属铜棒，可快速消除电极在每一次探测中的不均匀激化影响。积水巷段可以将电极打在煤壁上，躲避由于积水导电导致的测量影响，而在干燥地段电极则要采取逐点浇水的方式，减小接地电阻，保证测量正常。5工作面物探资料解析5.1瞬变电磁探测资料解析利用专业软件对采集数据的进行分析处理，绘制2 9 1 3 工作面不同探测方向的视电阻率对数等值线断面图。再利用各图中的视电阻率对数等值曲线，提取相应的不同深度的底板含水性剖面图（图6）。对工作面底板瞬变电磁含水性剖面的分析，工作面底板的异常分布比较分散，含水性偏低。5.2坑透探测资料解析通过2 9 1 3 工作面无线电波坑道透视实测场强解析曲线结合巷道测点分布，形成无线电波坑道透视CT成果图（图7），图中异常分布区，揭示了工作面内构造的分布或断层的走向。此次探测在数据衰减明显区，分析衰减系数变化。结合已知地质资料共圈定2 处地质异常区，分析为断层向工作面内部延伸影响。5.3电测深资料解析经数据分析深度矫正后，最终形成2 9 1 3 工作陈龙：极不规则工作面下的常用物探方法设计及施工面巷道电测深探测解析曲线图（图8）。图中横坐标为巷道位置，纵坐标为反演深度，曲线为不同电阻率等值线。电阻率相对高低采用不同颜色区分，2023年第7 期数值越小，深色越深，对应的含水性也越强。此次工作面巷道底板电法探测，因电阻率变化均匀，在探测范围内没有圈定的低阻异常。图6 底板瞬变电磁含水性剖面Fig.6 Transient electromagnetic profile of floor water content condition图7 工作面无线电波坑道透视CT成果Fig.7 CT results of radio wave tunnel perspective in working face轨道相对位置/m02860801204060806结 语在节约煤炭资源的情况下，矿方可能采用不寻常的工作面设计和施工，导致物探工作难度相应的增加。对比规则工作面在综合物探设计施工中需要增加更多兼顾因素。在工作面向外的拐点，需要增加瞬变电磁向外的扇形覆盖。在向内的拐点需要增加坑透的不同方向的发射方向，并且在工作面宽度变化剧烈时，要变更发射、接收频率以达到最佳的穿透效果和分辨率；在电测深遇到巷道拐弯较多，且巷道距离不够布置相应探测深度导线的情况下，要采取加大测量导线和修正测点测量间距，更准确反演分析测量深度，以达到准确探测效果。综上所60120 180240300360420480 540600660720,780840900,960.1020.1.080.1 140.1.2001.260134060120轨道相对位置/mX240300360图8 2 9 1 3 工作面巷道电测深探测成果Fig.8 Electric depth-measurement detection results of roadway in No.2913 Face1 2孙雪亮，王、鹏.基于瞬变电磁法的立槽煤采空区结构探测J煤矿安全，2 0 1 7，48（1)：1 2 3-1 2 5.3 张龙科，罗荣荣.矿井瞬变电磁在老巷探测中的应用J.陕西煤炭，2 0 2 1，40（4）：1 3 0-1 3 2.4傅良魁.电法勘探教程M.北京：地质出版社，1 9 8 3.5李波.综合物探技术在矿山水文地质中的应用J.神华科技，2 0 1 7（4)：3 2-3 4.51420480540.600.660720.780述，对工作面的合理布置、周密分析才能取得良好的探测效果，进一步为煤矿安全生产提供保障。参考文献：吴正飞，韩德品，王程，等.综采工作面薄煤带范围精细综合物探J1.煤矿安全，2 0 1 4，45（1 2）：6 8-7 1.840900960,1.020.1,080.1140.1.200.1.260