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综合物探技术在探查小煤窑破坏区中的应用

摘要：基于矿用无线电波透视仪理论研究和现场实践，提出以矿用无线电波透视法为技术手段,在大倾角薄煤层工作面的应用。在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释。研究结果表明：作为目前可以有效探查工作面内隐伏构造的无线电波坑透技术可以在大倾角薄煤层工作面得到很好的应用。
关键词：无线电波透视法；电磁波；断层；陷落柱
1 前言
    六家煤矿为国电平庄能源股份有限公司在赤峰市元宝山区平庄镇的一家下属矿井，该矿井开采煤层多为复合多煤层，且煤层较厚，由上至下依次主要分为6-4、6-5、6-6、6-7、6-8和6-9煤层，煤层平均倾角6°，其中主采的EIS₁6-7（东一采区南一段6-7）综放工作面回风顺槽依据设计于2014年9月份开始前掘，该工作面为东一采区南一段6-7、6-6、6-5煤综放工作面，井上位于风井以北1000m处，地表标高500～510m之间，井下位于东一轨道上山南侧，浅部以回风顺槽为界，深部以运输顺槽及F29′断层为界，南至切眼，北至预计采终线，工作面走向长247.1m，切眼平距62.1m，斜距63.6m，根据相关不完整资料及了解得知，六家煤矿EIS₁6-7综放工作面存在被古山镇第一煤矿越界偷采形成的空区、空巷等破坏区的威胁，2014年12月4日在掘进至该巷道3#测量点点前20m位置处，根据巷道地质条件与相关不完整资料记载推断在当前位置附近可能存在小煤窑偷采形成的破坏区，迫使EIS₁6-7综放工作面回风顺槽无法安全高效的正常掘进，为保证安全生产需要，急需借助综合矿井物探技术对EIS₁6-7综放工作面回风顺槽3#点前20m位置周边小煤矿偷采形成的空区、空巷等破坏区的存在范围及其富水情况进行全方位探查，并给出综合评价，为钻探施工提供靶区，为煤矿安全生产提供依据。
2 综合探查方法与技术
2.1 技术原理与基础分析
    1）瞬变电磁法或称时间域电磁法（Transien -t Electromagnetic Method，简称TEM），通常地下介质都具有一定电性参数，同一介质，如结构特征发生变化，其对应的电阻率值也会发生一定的变化，据此判断出介质中异常的位置，根据煤矿开采技术及相关资料可知古山镇第一煤矿开采形成的空区基本上均含有水，这样根据探测所得到的电阻率异常区域可以判断出空区位置及其富水性；
    2）单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式，它是人工激发在煤岩层介质中传播，当地震波遇到波阻抗不同的介质界面而发生反射，造成地震波振幅与相位等信息发生变化，根据该变化，并结合反射波时距曲线方程，可计算出探测介质的厚度。小煤窑破坏区相对于正常的煤岩层而言，密度等物理性质发生明显变化，从而具有明显的波阻抗差异，为单点反射地震技术的应用提供了基础保障；
    3）MSP即为震波超前探测系统（Mine Seism -ic Prediction），该技术同样是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界面（如破碎带，煤岩界面等）时将产生反射波，虽然激发的地震波具有全空间效应，但是来自巷道前方波阻抗差异界面的反射波在时距规律、相位特征方面与来自巷道周边波阻抗差异界的反射波具有明显差异，据此确定巷道前方的异常位置。该EIS16-7综放工作面回风顺槽前方如存在小煤窑破坏区，必然存在波阻抗差异界面，从而为MSP技术对巷道前方是否存在小煤窑破坏区探测提供了基础，保证了该技术在探测应用方面的可行性。
2.2 施工方案
    本次综合探查采用瞬变电磁技术与地震技术（单点反射与MSP）相结合的方式，MSP技术主要采用KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测仪针对迎头前方170m范围内是否存在破坏区或构造异常进行布置，采用双检同侧后置施工模式，在距离EIS16-7综放工作面回风顺槽掌子面5m处开始的巷道腰线位置依次布置24放炮点，炮孔孔深1.5m，炮点间距1.5m，距离最后一个炮点15m处依次布置两个三分量嵌入式加速度传感器，传感器间距3m，即24次探测接收系统，采集144组地震数据，从而形成MSP控制区；单点反射地震技术主要采用KDZ1114-6A30矿井地质探测仪针对3#测量点～点前20m范围左帮（面外）80m范围内是否存在破坏区或构造异常区，在3#点、3#点前20m处两个位置进行施工，每个施工位置分别采用24DB、36DB、48DB三种增益，每个增益激发5次，且采用锤击震源模式进行激发，共采集30组单点反射数据，从而形成单点反射控制区；瞬变电磁技术主要采用YCS512矿用本安型探水仪针对120m范围内存在的小煤窑破坏区或构造异常区是否存在富水进行布置，其中瞬变控制区1#在掌子面位置施工，采用扇形观测系统，沿煤层方向布置13个方向进行探测，分别为巷道前左90°、前左80°、前左70°、前左60°、前左50°、前左40°、前左30°、前左20°、前左10°、正前、前右10°、前右20°、前右30°，采集13组数据。瞬变控制区2#主要沿3#点～点前20m垂直左帮沿煤层方向施工，共布置9个物理点，点间距2.5m，采集9组数据。具体施工平面布置见图1综合探查施工布置平面图。

图1 综合探查施工布置平面图

3 综合探查成果与验证
3.1 探查成果
本次综合探查成果分析，采用瞬变电磁控制区1#探测结果与MSP控制区结果综合对比分析，对存在异常范围及其富水性进行确定，同时瞬变控制区2#探测结果与单点反射控制区探测结果综合对比分析，对异常定性，并对其富水性进行确定。
1）瞬变电磁控制区1#与MSP控制区结果综合：通过MSP技术探测结果图可以看出在回风顺槽12月4日迎头前方60m～100m、145m～170m之间存在异常，且根据现场情况与相关地质资料推断60m～100m处的异常为小煤窑偷采形成的空区、空巷，145m～170m处的异常为本矿原始采空区；通过瞬变电磁控制区1#结果图可以看出，在迎头前方60m～120m、迎头左前40°～右前75°之间范围存在低阻异常，存在富水异常。综合瞬变电磁控制区1#探测结果与MSP控制区探测结果，并结合相关地质资料，可以判断在迎头前方60m～120m存在小煤窑破坏区，且主要巷采位置在68m、95m处，为小煤窑巷道主要延伸位置，同时存在富水异常，在迎头前方145m～170m处存在本矿原始采空区，但由于施工空间限制，瞬变电磁无法覆盖该区域，故富水性无法根据本次物探进行确定。具体成果见图2瞬变电磁控制区1#与MSP控制区综合探查结果图，图中横坐标代表EIS16-7综放工作面回风顺槽正前方的不同位置（距离），单位为m，纵坐标代表以EIS16-7综放工作面回风顺槽走向线为0点线，向左与向右延展的距离，其中负值代表向左，正值代表向右，单位为m，瞬变1#色标代表视电阻率等值线图中不同颜色对应的电阻率值，单位为Ω•m。

图2 瞬变电磁控制区1#与MSP控制区综合探查结果图

2）瞬变电磁控制区2#与单点反射地震控制区结果综合：通过在回风顺槽3#测量点左帮的1#单点探测结果可以看出，在距离施工位置50m处存在异常，通过在迎头位置左帮的2#单点探测结果可以看出，在距离施工位置55m处存在异常，根据反射地震波形的振幅与相位特征推断，该两处异常为断层反应，且结合相关地质资料可以确定为同一断层影响造成，断层走向与两处异常连接线相同；通过瞬变电磁控制区2#结果图可以看出，在距离左帮45m～60m范围存在低阻异常，具有一定弱富水性。综合瞬变电磁控制区2#探测结果与单点反射地震1#、2#控制区探测结果，可以判断距离左帮50m～55m左右有断层发育，且具有一定的弱富水性，推断为局部砂岩裂隙水，同时结合相关地质资料可以确定，该断层为F11-1的延伸，而非小煤窑巷道延伸造成。具体成果见图3瞬变电磁控制区2#与单点反射地震1#、2#控制区综合探查结果图，图中横坐标代表迎头到后方3号测量点之间的距离（即瞬变电磁施工距离，其中0m与20m位置处分别为单点2#与单点1#在施工位置距离迎头的距离），单位为m，纵坐标代表以左帮位置为0点，沿垂直左帮方向上的距离，单位为m，瞬变2#色标代表视电阻率等值线图中不同颜色对应的电阻率值，单位Ω•m。

图3 瞬变电磁控制区2#与单点反射地震1#、2#控制区综合探查结果图

3.2 成果验证
    根据综合物探成果，矿方在2014年12月4日迎头位置对物探划定的异常区域进行打钻，共打9钻，钻探布置平面情况见图4综合探查结果及验证成果图，具体钻探情况及分析如下：
    1）钻1～钻3：钻1与钻2在钻进55m位置出现断层带破碎反应，同时伴有少量出水，钻3在钻进过程中为发现异常情况，矿方结合地质资料推断在距离左帮55m位置左右存在断层，且为F11-1延伸所致，断层在钻3位置之前歼灭，与瞬变电磁控制区2#与单点反射地震1#、2#控制区综合探查结果一致，具体情况见图4综合探查结果及验证成果图。
    2）钻4～钻9：钻5～钻8在钻进65m左右均出现空区、空巷反应，同时钻孔存在明显出水，而钻4与钻9在钻进过程中未发现异常情况，矿方结合地质资料推断该区域为小煤矿偷采延伸的巷道及破坏区域发育范围，同时具有明显富水性，瞬变电磁控制区1#与MSP控制区综合探查结果相符，具体情况见图4综合探查结果及验证成果图。
    3）根据MSP探查结果显示，在迎头前方145m～170m处存在的空区，该空区为矿方已知的本矿自己的原始采空区，故未进行钻探。

图4 综合探查结果及验证成果图

4 结论
    1）EIS16-7综放工作面回风顺槽2014年12月4日迎头前方存在小煤窑破坏区，小煤窑主要通过巷采形式开采，且巷道布置主要与EIS16-7综放工作面回风顺槽设计延展走向垂直或斜交，通过该方向的破坏，阻止六家煤矿EIS16-7综放工作面上顺、下顺的正常前掘，迫使EIS16-7综放工作面不得不缩小工作面，从而放弃部分资源，通过该方式小煤矿强行占有资源并进行越界开采，矿方可据此进行小煤窑偷采治理。
    2）小煤矿在不完整资料记载范围的基础上，并未沿EIS16-7综放工作面回风顺槽走向方向继续开采。通过本次综合探查可以看出综合物探技术能够对煤矿井下一定范围内断层等构造的发育情况及其富水性进行判断，且根据相位、幅值等特征可以明显区分断层与空巷。
    3）反射地震技术对探测范围内的空区、空巷等小煤窑破坏区具有明显的相位、幅值等特征，能够对该类破坏区进行探查，瞬变电磁技术对探测范围内的空区、空巷等小煤窑破坏区的具有明显特征，故而判断出破坏区的富水性及其分布范围。通过综合物探技术可以为煤矿探查小煤窑破坏区及其富水性提供技术保障，为煤矿治理小煤窑偷采提供技术依托。

作者简介：
    白永利，男，1989年9月14日出生于内蒙古通辽市，2011年7月毕业于中国矿业大学地球物理学专业，并获得学士学位，现工作于福州华虹智能科技服份有限公司东北办事处，主要从事矿井物探工作。

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添加日期：2016-4-13 浏览次数：1992