中国矿井物探网 - 物探技术 - 综合物探在探测陷落柱边界中的应用

1 概况
        2014年9月3日，应晋能集团晋城煤运公司首阳煤矿邀请，我公司技术人员与114地质队技术人员一同前往该矿，对该矿15101回风顺槽掘进过程中揭露的陷落柱进行探测，以确定该陷落柱边界，指导矿方后续生产。
        目前，15101回风顺槽沿15#煤层顶板掘进，陷落柱在回风顺槽175m处揭露，现巷道迎头位于240m位置，已在陷落柱中掘进了65m。陷落柱主要填充物质为砂岩、石灰岩、煤及泥岩，胶结程度较高。本次探测我们采用了MSP和直流电法两种方法进行探测。
2 技术方法原理
2.1 MSP法
        震波超前探测系统(Mine Seismic Predict -ion)，英文简称为MSP。MSP技术基于反射波地震勘探原理，利用矿井巷道空间布置激发点和接收点，所激发地震波在传播过程中遇到波阻抗差异时(如破碎带，煤岩界面等)将产生反射波(图2-1)。在全空间波场条件下，巷道前方界面的反射波在时距规律、相位特征与巷道周边界面具有明显差异，这为利用地震反射波来探测前方界面的提供了有利条件。通过在专业软件(MSP2.0)平台进行数据处理和分析，处理中采用了反射波提取、速度建模、深度偏移等核心处理技术获得巷道前方地震反射偏移剖面、动力学参数等信息。根据这些信息MSP技术可以确定巷道前方断层、破碎带、煤岩界面、陷落柱的位置。

        煤系地层的层状分布尤其当地层中存在不良地质体时，介质间的弹性差异是固有的，这为反射波和产生和传播提供了良好的物理前提。
巷道周边界面反射波时距曲线规律：
        (1)受巷道有限观测系统限制，测线巷道前方界面的反射波场中只能反映出局部反射波同相轴；该局部同相轴和界面倾角大小相联系，当前方界面为高倾角时，时距曲线段表现出负视速度特征；测线上前后置接收点时距曲线特征相似，均表现出负速度特征。
        (2)在巷道中布置测线时，受全空间影响，在巷道已揭露的后方存在的界面同样会产生反射波。从巷道后方界面的时距曲线可以看出仍为双曲线，同样受测线长度所限，接收到有效反射波仅为整个时距曲线的一部分，但两者均表现为正视速度特征。
        (3)巷道侧帮界面同样为双曲线规律，其中后置传感器曲线在巷道空间中的有效反射波同相轴表现为正视速度而前置传感器曲线有效反射波牲却表现出负视速度特点。

综上所述，巷道前方界面反射波与周边其它界面具有明显视速度差异，巷道前方界面表现为负视速度，而巷道后方与侧面界面表现为正视速速，这为有效识别和提取目的界面，即巷道迎头前方的界面提供有利条件。
2.2 直流电法探测
矿井电法勘探属于全空间电法勘探，供电电极A相对无穷远电极B可以看作为点电源，均匀介质中它所形成的电场可近似看作一个球体，如图2-5所示。

根据电场球壳原理，任意等半径球面上的电位是相等的，两个等位面上的点M、N之间形成电位差∆U_MN，利用发射电流可计算出MN球环上的视电阻率。通过在巷道迎头后方布置电极，从而可探测出迎头前方的异常情况，其工作原理如图2-6所示。

若电流分布范围内存在电性异常(如含水地质异常体)，不论异常体在巷道迎头前方还是其它方位，都会引起等位面的变化，视电阻率也会发生变化。若是低阻异常体会引起视电阻率值降低，反之，会引起视电阻率值增高。比如，图2-7是巷道迎头前方存在高阻异常体时，因其排斥电流而引起整个电流场的畸变，使测量电极附近的电流密度增大，故视电阻率增大。

利用一个供电电极A测到的视电阻率异常是反映整个球壳内部的异常，并不能说明异常就在迎头的前方，因为在以供电电极AxO为半径的球体内(O为MN电极的中点)任何一处异常引起的等位面的变化均可以影响到测量值，因此如果测量值有异常时，不能正确判断异常点的具体位置。为了达到超前探测的目的，我们采用三个供电电极交替供电分别测量的方式，利用几何交汇的原理(如图2-8所示)，只反映出迎头前方的异常情况。这种方法可以消除顶板、底板和后方的影响，反映巷道迎头前方的地质异常，达到超前探测的目的。

3 现场施工及资料解释
3.1 MSP法
本次MSP法采用KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测仪进行探测。由于受现场条件限制，在迎头后方15.6m、14m处分别布置两个内置式三分量检波器，在侧帮布置11个锤击点，观测系统布置示意图如图3-1所示。

        上图为反射界面提取剖面，整体探测距离为75m，其中已揭露区15.2m，未揭露区59.8m。从反射异常界面提取剖面中可以看出，在巷道前方存在一处反射异常带，命名为R1。
        综合上述分析和现有地质资料对上述异常段作如下推断解释：
        异常R1在当日迎头前方18m位置，该异常影响范围在18-25.76m范围内，该界面反射能量较强，为煤岩界面可能性较大，推测为陷落柱边界。
3.2 直流电法
        本次探测设计矿井直流电法供电电极A1，A2，A3间距为4m，测量电极M、N间距为4m，供电电极A1距掘进头约14m，测量电极M、N移动次数30次，每组M、N测量电极对应3个供电电极A1，A2，A3，共计90个测点数据，如图3-3所示，探测深度为85m。

通过对数据的分析，得到如下结果图3-4，图为掘进头超前探测剖面图，横坐标表示距离掘进头长度，有效探测深度为85m。不同颜色色标表示视电阻率的大小，其中红色表示高视电阻率值，蓝色表示低视电阻率值。

从图3-4超前探测结果中可以看出，在有效探测深度为85m范围之内，发现1处高阻异常，分别命名为高阻异常1。高阻异常1位于距掘进头约18m～20m附近。结合地质资料及现场施工环境分析，推断高阻异常1应为陷落柱边界。
4 结论及验证
4.1 结论
综合分析MSP法结果和直流电法结果，可得如下结论，见图4-1。

        (1)本次MSP法探测结果发现一处波速异常区R1，异常R1在当日迎头前方22.3m位置，该异常影响范围在22.3-30.05m范围内，该界面反射能量较强，为煤岩界面可能性较大，推测为陷落柱边界。
        (2)矿井直流电法结果为前方18m附近发现高阻异常，推断推断可能为陷落柱边界所致。
4.2 验证
        综合以上两种方法探测结果，前方18-23m处为该陷落柱边界的可能性较大，矿方根据该探测结果，对迎头正前方进行钻探，钻探至18m位置见煤，推断为陷落柱边界，有待巷道掘进后以进一步验证。

作者简介：
周凯，男，宿州学院地质工程专业，福州华虹驻晋东南办事处主任工程师。
施劲松，男，安徽理工大学水文与水资源专业，福州华虹驻中原办事处物探技术员。