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| 坑透和并行电法探查大面宽综采工作面地质异常探讨 |
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吴荣新，肖玉林，张平松
(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)
摘要：对于宽度小于150m的采掘工作面，坑透具有探测效果显著、快速经济的特点，成为探测地质异常的首选物探技术;对于工作面宽度大于150m，坑透则会出现勘探盲区，而双巷并行电法探测不但能弥补坑透的不足，且对探测工作面内薄煤区(无煤区)及较大断层的效果较好，并具有相对快速经济的优势。针对大面宽综采工作面存在的地质异常问题，提出采用坑透和并行电法综合探测的方法，即在工作面形成后，首先对整个工作面进行坑透探测，查明地质异常区的赋存情况;针对大范围坑透场强低值区，采用双巷并行电法探测该范围是否存在薄煤区及较大断层影响区;并结合巷道实见地质资料及钻探验证手段，对工作面内地质异常分布情况进行解释。淮南矿业集团张集矿1412(1)工作面的探测及验证实例表明，该方法较好地查明了大面宽综采工作面内地质异常区的分布范围，有力地指导了该面采掘方案调整，确保了工作面的顺利生产。
关键词：坑透;并行电法;场强;电阻率;地质异常;薄煤区
0 引言
大量研究与实践应用表明，电阻率相对较高的煤层工作面，适合采用坑透方法探查工作面内地质构造情况，其探查结果较为准确，现已成为国内外煤矿普遍采用的物探方法[1-7]。大面宽(大于200m)综采工作面采煤效率高，被各大型、特大型煤矿普遍采用。但因工作面宽度过大，无线电波常不能有效穿透，造成坑透场强大范围的极低值区，无法准确反映工作面内地质异常分布情况。对于隐伏的大范围无煤区(或薄煤区)，致使工作面“割顶破底”，若煤层直接顶(底)板为坚硬砂岩，则可能导致工作面停产，或不得不重新开切眼进行“跳采”，严重影响工作面的安全高效开采。如何在大面宽综采工作面回采前，快速准确地探查工作面内地质异常体赋存情况是当前煤矿生产亟需解决的技术难题。
对于工作面内地质构造探查，除坑透探测外，纵横地震波透视CT、槽波透视CT探测也是行之有效的探测方法[7-10]，但是地震类透视CT需布置激发炮点，现场施工程序复杂，施工时间较长，探测费用也很高。近期的研究与实践表明，采用双巷并行电法技术探测工作面内薄煤区、顶底板富水区，可取得较好的应用效果[11-16]。本文将坑透和并行电法技术相结合，较好地实现了大面宽综采工作面内地质异常区的快速准确探查，有效地指导了工作面的生产。
1 工作面坑透探测技术
无线电波在地下岩层中传播时，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用。通常，煤层顶底板岩层常为砂岩或泥岩，为电阻率值相对较低的岩层，电磁波沿顶底板方向传播距离有限，因此，顶底板相对低阻岩层可看作无线电波的屏蔽层;煤层为电阻率值相对较高的岩层，无线电波沿煤层方向可以传播较远，故煤层是无线电波的导波层。无线电波在穿过工作面内煤层时遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，在接收巷道内仅能收到微弱信号或完全收不到透射信号，形成透视异常[7]。
无线电波透视通常采用定点法观测方式，在一条巷道中设置发射点，利用坑透仪发射机发射电磁波信号，在另一条巷道中布置接收信号段，利用坑透仪接收机逐点接收电磁波场强，观测射线呈扇形分布。在风巷和机巷中分别设计发射点及对应接收段，逐站进行探测，直至完成整个工作面的透视探测。
目前的坑透发射机和接收机重量仅为4.5kg，现场施工一般需要3～4人，一套坑透仪器可以连续工作时间为4～5h，完成800～l000m长度以内的工作面长度[17-18]。因此，坑透探测具有仪器轻便、资料采集方便迅速、所需人员较少、透距较大、费用低、探测效果显著的优势，成为最普遍采用的工作面内物探技术[1-5]。
无线电波透视对于地质条件相对简单、宽度小于150m的的工作面，无线电波穿透性好，正常煤层段实测场强值远高于背景场强值，结合工作面已揭露的地质资料分析，对于断层等地质异常体的分辨程度可达1/3正常煤厚，其圈定的地质异常范围较为准确。
根据大量的实际探测结果，大面宽(大于200m)工作面无地质异常(或地质影响小于l/3正常煤厚)的煤层段，坑透实测场强值通常可达30-50dB，仍显著高于背景场强值。但工作面过于宽大，一方面，与巷道方向近于平行的地质构造会导致大范围的坑透低值区;另一方面，一些小于1/3正常煤厚的断层组或含水裂隙带发育区也同样表现出坑透极低场强值区;对于层滑构造发育的煤层工作面，大范围的无煤区或薄煤区也可能赋存在工作面内[11]。因此，对于存在大范围坑透低场强值区的大宽度工作面，仅靠坑透无法给出更细的解释，需要进一步的精细探查，来保障工作面的正常生产。
2 双巷并行电法探测技术
通常煤层为相对高电阻率地层，泥岩、砂岩等为低电阻率地层。煤层对顶板或底板范围电流场具有较强的排斥作用，则电极布置煤层底板或顶板通常主要反映煤层相应底板或顶板范围的电性分布情况;将电极布置于巷帮中部腰线位置，则所探测出的电场变化主要受侧帮煤层内的地质变化所影响[11-12]。在工作面回风巷道和进风巷道中沿侧帮腰线煤壁位置分别布置电法测线，利用并行电法仪能够采集巷道内电法测线的电位变化情况，探测范围大时，每巷可以布置多站测线采集数据。将双巷电法采集各站电法数据进行拼接，联合进行双巷间电阻率层析成像反演，从而得出工作面双巷间二维电阻率分布情况[19-20]。根据不同地质异常体与正常煤体间的电性差异情况，结合已知巷道揭露地质资料以及该采面已有的地球物理勘探资料进行综合分析，从而给出工作面煤层内地质异常区的性质及分布范围。
并行电法探测需人员8-10人，通常每站布置64个电极，电极间距5m，控制测线长315mm，每站探测时间约1-1.5h。对于800-1000m长度的工作面，需布置6站电法测线，探测时间6-8h。对于测线长315m的布置方式，可将AB设计为240-300m。根据最大探测深度为AB/2来计算，可以探测工作面宽度达240-300m的工作面;对于工作面宽度更大的工作面，则可以通过加大电极间距，来实现更宽工作面地质构造的探查。相同的探测范围，与坑透相比，并行电法探测时间较长，费用较高，但与地震透视探测 相比，并行电法探测时间要少得多，探测费用也显著偏低。
模型实验及实际探测结果表明[11,16]，双巷并行电法对于工作面内薄煤区(无煤区)的范围圈定较好;对于落差大于等于1倍正常煤厚的较大断层，电法有明显的反映。
3 大面宽综采工作面综合探测
由于大面宽综采工作面往往都是各煤矿的重要采煤方式，工作面的地质构造赋存情况直接影响煤矿的安全高效生产。因此，对大面宽综采工作面内地质构造赋存情况探测的准确程度直接影响煤矿的经济效益。根据以上分析，坑透探测在地质异常圈定准确性、探测效率、探测费用、探测时间上都有显著优势。在适合坑透探测的大面宽工作面，坑透探测应做为首选物探手段[1-7]。
由于坑透采用的是一巷发射，对面巷道透视接收方式，在探测走向上的地质异常控制程度较好;而双巷并行电法电阻率值反映一定的体积勘探效应，距巷道电极测线越近，探测的准确性相对越高，因此，在探测倾向上的地质异常控制较好。坑透与电法探测在探测方向上具有互补性。两者结合可以实现大面宽工作面内地质异常的有效探查。
在现场施工安排上，双巷并行电法探测时间较短、探测费用较低，并且现场不需要打眼放炮等准备工作，只需要工作现场停电和停止运输，便于煤矿安排[11-12]。因此，对于大范围坑透低品质区，可以优先考虑双巷并行电法探测地质异常。
但对于煤层电阻率值与顶底板岩层电阻率较接近的工作面，坑透及并行电法均不适合。在此情况下，与围岩相比，煤层具有显著的低密度、低波速特征，因此，适宜于施工地震波透视CT探测，利用弹性波参数显著差异来进行探查工作面内地质异常赋存状况[7-10]。
对重点地质异常区，经综合物探探测以后，通常再施工少量钻探或巷探来验证物探结果，为煤矿生产的决策层提供可靠准确的探测结果，保障工作面的顺利生产。
4 坑透和并行电法综合探测实例
淮南矿业集团张集矿综采工作面，通常面宽达240m以上，坑透探测后，常存在大范围坑透低品质区，往往发育近走向断层或大范围层滑变薄区。部分薄煤区不足0.5m厚，地质条件较为复杂。由于煤层顶底板岩层坚硬，在薄煤区综采机推进缓慢，严重影响了工作面正常生产与安全管理。1412(1)工作面长2140m，宽240m，正常煤厚2.0-3.5m。从巷道已揭露的地质资料来看，该工作面巷道揭露落差大于等于lm断层达20处，总体断层较为发育(图l-4中揭露断层落差均大于等于lm)，部分巷道揭露有煤层变薄区，进风巷中部巷道揭露F5断层落差达8m，因此，能否准确查明工作面内大范围煤层变薄区及落差大于等于1倍正常煤厚的较大断层是确保该面顺利生产的前提条件。在工作面贯通以后，决定先采用坑透对整个工作面进行探测，再对重点关注的坑透低场强值区进行双巷并行电法探测。
2010年4月进行坑透探测。在运输巷和回风巷发射点布置发射点，对每个发射点接收22个实测场强值。发射点间距为60-80m，接收点间距10m。为减小现场探测时间，采用“双发双收”方式，即采用两台坑透仪分里段和外段同时探测，保持两台发射机或接收机均在一条巷道。发射机间距为1100m同方向探测，以尽量减少仪器自身收发的影响(现场实验表明两者达到800-1000m以上时，两套坑透系统间相互影响可以忽略不计)。现场探测时间4h，采用实测场强成像和煤岩吸收系数成像进行资料解释。由于两种成像反映的地质异常区基本一致，为更直观的反映坑透探测场强值的变化，本文采用实测场强成像结果(图1)[18]。由巷道揭露地质资料可以分析出断层及薄煤区所在位置场强值H基本小于22dB，据此分析出范围较大的低场强值范围主要为水平距离300-800m、1300-1700和1900-2100m三段，其余段存在较小范围的相对低场强值区。
对三个范围较大的坑透低场强区分析如下：300-800m，两巷内主要揭露多条落差小于l正常煤厚的较小断层，该异常区对回采影响相对较小;1300-l700m需要考虑F5断层(H小于等于8m)及薄煤区的影响范围，对回采影响很大，为重点关注区域;而1900-2100m为工作面收作线位置区域，应考虑是否有大范围薄煤区或较大断层影响工作面收作。因此，于2010年5月采用双巷并行电法对1300-2100m进一步探测，电极间距5m，共布置6站，工作面现场探测8h，采用电阻率层析成像反演(图2)，结果表明：1300-1600m工作面内存在显著低电阻率值范围(ρs小于3lΩ•m)，为薄煤区(或无煤区)及较大断层影响区;l900-2100m工作面无显著的大范围低阻区，表明没有大范围薄煤区(无煤区)存在。
综合坑透和并行电法探测结果，结合巷道已揭露地质资料，对1412(1)工作面内地质异常区综合解释(图3)，共揭露7个地质异常区，其中4#异常区为F5断层及薄煤区范围。经少量钻探验证，4#区主要薄煤区(无煤区)范围基本上为电阻率值相对最低范围(ρs小于29Ω•m)(图3)，以虚线范围表示(图3、图4)。根据综合物探解释资料及钻探验证结果，调整采掘设计：4#异常区左侧边缘做为里段工作面收作位置;F7和F17断层位置线附近提前重做新开切眼进行跳采;在6#异常区及7#异常区之间相对正常煤层区做为外段工作面收作位置。
该工作面回采顺利，已于2011年11月收作，工作面所揭露的断层及薄煤区(无煤区)影响范围用阴影表示(图4)，多数地质异常区内断层发育，存在局部煤层变薄区，实见地质异常区范围与综合物探圈定结果基本一致。特别是对生产影响最大的4#异常区探测准确性高，该异常区为F5断层(H小于等于8m)及大范围薄煤区。在坑透值上表现为显著的低场强值特征，在探测走向上控制准确;在双巷并行电法结果上，探测的低阻区形态与实见结果吻合，电法结果表现更加直观。5#和6#异常区主要为落差H小于1倍正常煤厚的断层影响区，在坑透结果上有显著的相对低场强值特征，而在并行电法结果上无明显反映。这个验证结果进一步说明坑透可以有效分析出大面宽工作面内是否存在断层、裂隙、薄煤区等地质异常的影响，但无法有效分析出地质异常对生产的影响程度、地质异常的可靠影响范围;而并行电法对于落差H小于l倍正常煤厚的断层探测效果差，只对落差H大于等于1倍正常煤厚的较大断层和大范围薄煤区反映灵敏，并行电法探测结果进一步细化了大范围坑透低场强区内地质异常的分布范围。本次综合探测结果很好地指导了该工作面的采掘工程计划与安排，实现工作面内地质异常的快速有效探查。
5 结论
①对于坑透存在大范围低场强值的工作面区域，可以采用双巷并行电法进一步探测地质异常分布情况。
②坑透和双巷并行电法综合探测方法为复杂地质条件的大面宽综采工作面内地质异常区探测提供了快速经济的物探手段，有效地指导了大面宽工作面的采掘工程设计及煤炭生产。
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