综合物探方法掘进面前方陷落柱探测中的应用.pdf

收稿日期:2022 12 26作者简介:王 立(1987-),男,山西浮山人,助理工程师,从事煤矿地质研究工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.021综合物探方法掘进面前方陷落柱探测中的应用王 立(霍州煤电汾河焦煤公司,山西 临汾 041602)摘 要:在井下煤炭回采时,发育的陷落柱会给采面布置、巷道掘进等带来较大影响,给巷道围岩支护、煤炭开采安全等带来较大威胁,因此对陷落柱发育位置及富水性等进行超前探测,对确保煤矿安全高效生产有显著促进意义。文章提出将瞬变电磁超前探测、瑞雷波超前探测综合应用到陷落柱探测中,对物探技术进行分析,并以山西某矿西翼回风大巷掘进为工程实例,对瞬变电磁超前探测、瑞雷波超前探测成果进行综合分析。综合物探发现掘进迎头前方 2255 m 范围内有富水性较弱的陷落柱,后通过钻探方式验证了综合物探成果。现场应用表明,以瞬变电磁、瑞雷波为核心的综合探测技术可实现井下陷落柱构造的详细探测,成果可为巷道掘进、煤炭回采等提供较为可靠的地质资料,避免误揭陷落柱带来的各种安全风险。关键词:煤炭开采;陷落柱;综合物探;安全生产中图分类号:TD166 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)09 0076 03 陷落柱是华北地区煤炭回采时常见地质构造类型之一,根据已有物探、钻探以及井下采掘活动揭露显示,部分矿区陷落柱发育高度可达到 500 m、陷落柱长轴可达到 200 m.陷落柱发育区会破坏含煤地层、煤层等稳定性及连续性,导致煤炭资源大量损失;同时发育的陷落柱会影响井下采掘作业面正常布置,部分区域坚硬矸或者煤层倾角波动等会影响综合机械化设备使用效率,制约煤炭资源的回收1-4。由于陷落柱影响范围内裂隙发育,往往是较为理想的导水通道,若导水陷落柱探测精度偏低,当出现误揭或者无计划揭露陷落柱时,容易出现涌水量增大,甚至诱发突水事故。如河北某矿在回采揭露 9 号陷落柱时呈出现突水事故,导致多人伤亡并造成严重的经济损失;内蒙古某矿在回采期间未重视陷落柱探测,回采期间揭露有导水陷落柱,导致淹井事故发生并造成多人伤亡5-7。山西某矿井田开采范围内地质构造发育,井下巷道多是沿着回采的 2 号煤层掘进,现阶段巷道掘进已揭露有 11 个陷落柱,陷落柱内主要充填有泥质胶结的杂乱岩块,同时陷落柱多不富水、不具备导水性。2 号煤层回采期间水源主要为顶板砂岩裂隙水且受地面大气降水补给,不排除陷落柱在回采扰动下出现导水可能。为实现煤炭安全回采,针对井田开采范围内陷落柱发育特点,提出综合采用瞬变电磁、瑞雷波超前探测方法对巷道掘进前方陷落柱发育位置、富水性等进行探测,以期为巷道安全掘进提供较为详实的地质资料。1 综合物探技术分析1.1 综合物探技术1.1.1 瞬变电磁超前探测瞬变电磁法是通过人工激发电磁场,在探测目标附近会产生二次感应场,通过分析二次感应场分布规律即可实现探测区域地质探测。在进行瞬变电磁探测时,由于受巷道全空间影响,获取到的电磁感应信号为巷道顶、底板的空间的综合电磁感应,瞬变电磁探测具备有双烟圈效应,具体如图 1 所示。图 1 瞬变电磁双烟圈效应示意 结合煤矿井下情况,在巷道前方陷落柱探测时选用 YSC2000 瞬变电磁仪,该设备具有自动化程度高、轻便、抗干扰能力强等优点。结合矿井地层特点,瞬变电磁仪设定发射频率为 12.5 Hz、叠加200 次;瞬变电磁波用边长 2 m、20 匝回线的正方形线框发射,采用磁探头接收,采扇形探测方式(多角度、多方向)。将探测装置布置在掘进迎头,探测顶实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月板、迎头前方及底板各方向探测收发装置布置如 图 2 所示。图 2 瞬变电磁布置示意 1.1.2 瑞雷波探测瑞雷波是通过人工震源激发,在作业面不同位置布置检波器用以接收震波信号,通过两路不同频率信号的相位差,即可实现探测区域内瑞雷波的传播速度、时间。具体巷道掘进迎头内瑞雷波探测布置如图 3 所示。图 3 瑞雷波探测布置示意 在巷道掘进前方陷落柱探测时选用 YTR(D)仪,该设备可同时连接 5 个检波器,结合矿井现场实际情况,通过瑞雷波可实现掘进巷道前方 60 m 范围内超前探测。1.2 数据处理及解释瞬变电磁探测数据通常处理分为 3 步:1)对采集的数据进行回放,剔除畸变电,并通过多组滤波处理,采用晚期视电阻率计算公式将不同采集时间获取的感应点位值转换成视电阻率值;2)将时间信息转换成深度信息,后通过坐标转换将矩形断面坐标转换成扇形坐标;3)采用 Surfer 软件绘制视电阻率等值线扇形断面图。瑞雷波探测是对采集的瑞雷波进行分析,并依据两路不同频率信号的相位差确定瑞雷波传播速度、时间。2 现场应用分析2.1 地质概况山西某矿西翼回风大巷设计为矩形断面,沿2 号煤层底板掘进,煤层厚度均值 3.6 m、倾角 2 4,赋存稳定,全区可采,煤层顶底板岩性以粉砂岩、炭质泥岩以及砂质泥岩等为主。西翼回风大巷设计采用 EBZ260 综掘机掘进,净宽 5.0 m、净高 3.6 m,设计采用锚网索支护围岩。2.2 综合物探探测为确保巷道掘进安全,避免误揭地质构造带来的问题,西翼回风大巷在掘进期间综合采用瞬变电磁法、瑞雷波探测法进行超前探测,并采用钻探方式进行验证,提高超前探测效率。具体西翼回风大巷在掘进至 390 m 位置的超前探测结果如图 4、图 5所示。图 4 瞬变电磁探测成果图 从图 4(a)中可以看出,在巷道迎头对 30仰角方向进行探测时,获取的探测区域内视电阻率等值线呈发散状态分布,且视电阻率均在 24 m 以上,推断探测方向煤岩体分布较为稳定,探测区域内77第 9 期 王 立:综合物探方法掘进面前方陷落柱探测中的应用 含水性较差。从图 4(b)可以看出,顺着巷道掘进方向,在与掘进迎头相距 2254 m 位置内发育有视电阻率小于 24 m 低电阻区,且该低电阻区呈椭圆形;对比掘进前方 80 m 范围内视电阻率分布情况,发现该低电阻区视电阻率未明显变小,表明探测区域内岩体富水性较弱,该低电阻区主要是地质构造导致煤岩体岩性出现变化且富水性较差。从图 4(c)看出,在巷道迎头按照 30俯角进行探测时,在迎头前方 2255 m 范围内有视电阻率在 24 m以下的低电阻区,且该低电阻区形态呈现椭圆状。按照 30俯角确定的低电阻区范围与顺巷道方向探测的低电阻区重叠,形态上均呈现为封闭的椭圆形。从图 5 可以看出,在西翼回风大巷掘进迎头前方距离掘进迎头 23 m、55 m 位置均形成有波幅变化较大的尖峰,表明波峰对应位置附近有较为剧烈的构造,煤岩体连续性遭受破坏。图 5 瑞雷波探测成果图 通过综合比瞬变电磁探测成果(巷道迎头 30仰角、顺着巷道掘进方向以及 30俯角瞬变电磁探测成果)以及瑞雷波探测成果,综合确定巷道掘进迎头前方 2255 m 范围内发育有陷落柱且该陷落柱富水性较弱。2.3 钻探验证为验证综合物探成果,在西翼回风大巷迎头布置 3 个探测钻孔,钻孔均布置在煤层中,其中 1 号钻孔、3 号钻孔均有 15外插角,2 号钻孔垂直煤壁布置,具体布置如图 6 所示。图 6 探测孔布置示意 1 号钻孔 028 m、2860 m、6080 m 钻进时分别揭露煤、泥-岩混合物、煤;2 号钻孔 0 25 m、2557 m、5770 m 钻进时分别为煤、泥-岩混合物、煤;3 号钻孔在 027 m、2760 m、6080 m.通过钻探验证,综合物探异常区确定为陷落柱,该陷落柱内充填物为泥质胶结的砂岩,陷落柱内富水性较差。后续西翼回风大巷掘进也验证,综合物探异常区为陷落柱,巷道在陷落柱内掘进时围岩较为破碎,顶板仅有少量淋水,陷落柱内部富水性较差。钻探以及掘进揭露限制,综合物探探测成果可信度较高,可在一定程度上为巷道安全掘进提供支撑。3 结 语煤矿井下掘进巷道空间狭小,采用综合物探技术对掘进前方潜在地质构造进行探测,可为巷道掘进提供较为可靠的地质资料。当巷道掘进前方发育有陷落柱时,陷落柱边缘以及内部与煤岩体间会出现明显的电性差异,同时由于岩性差异会导致瑞雷波波速出现明显变化,因此综合使用瞬变电磁法以及雷瑞波法可实现煤矿井下陷落柱的探测,较为精准的圈定陷落柱发育位置及影响范围。文中就对瞬变电磁法以及雷瑞波法技术分析基础上,以矿井西翼回风大巷掘进为工程背景,对综合物探应用情况进行综合分析,现场确定在巷道掘进迎头前方 2255 m 范围内发育有陷落柱,该陷落柱富水性较弱。后通过钻探方式验证综合物探异常区内陷落柱。在西翼回风大巷揭露陷落柱前,综合采用超前注浆、强化围岩支护等方式,避免了误揭陷落柱存在的围岩变形量大、顶板冒落、围岩支护体系失效或者突水等问题。综合物探成果在一定程度为西翼回风大巷安全掘进提供了较为可靠的地质资料。参考文献:1 贺建鹏.地质构造复杂工作面中综合物探技术的应用J.矿业装备,2022(4):9-11.2 马 健.矿井陷落柱的综合物探技术研究J.山西冶金,2022,45(3):65-67.3 王宗涛.综合物探方法在陷落柱位置及富水性探测中的应用J.智能城市,2021,7(11):53-54.4 任菲菲.煤矿陷落柱综合物探技术J.西部探矿工程,2021,33(6):194-196.5 李 刚,廉玉广,王国库.综合物探在陷落柱精确定位探测中的应用J.山西煤炭,2021,41(1):1-5.6 蒋泽金.综合物探技术在矿井陷落柱识别的应用研究J.煤炭与化工,2021,44(2):82-84,108.7 李贤忠.综合物探方法在掘进面前方陷落柱探测中的应用J.山西化工,2020,40(5):174-176.本期编辑:王伟瑾87 第 32 卷