李 剛,廉玉廣,王國庫

(1.山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006; 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100013)

隨著煤炭機械化開采程度不斷進步,工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造提前準(zhǔn)確預(yù)測也越來越重要。陷落柱仍然是影響煤炭安全回采的主要影響因素之一[1]，工作面內(nèi)部陷落柱的存在破壞了煤層及圍巖的穩(wěn)定性,給機械化采煤帶來巨大阻礙,使煤礦采掘銜接不能正常進行。另外,陷落柱有可能導(dǎo)通含水層,特別是帶壓開采工作面,陷落柱極易成為導(dǎo)水通道,導(dǎo)致礦井突水,造成淹井等災(zāi)害的發(fā)生。因此,為了保證煤礦安全高效的生產(chǎn),工作面回采之前需探明工作面內(nèi)部陷落柱的位置,為礦井安全生產(chǎn)提供地質(zhì)保障[2-6]。

為了達到對陷落柱定位的精度,可根據(jù)實際工作面的地質(zhì)情況,采用幾種方法進行綜合探測[7]。目前,煤礦井下進行構(gòu)造探測最常用的方法為無線電波透視法。該方法施工便捷,成本較低；但由于無線電波透視系統(tǒng)的接收面小、透射距離短等原因,造成探測的縱向分辨率差,只能橫向?qū)ο萋渲ㄎ豢刂?。槽波勘探是一種井下高精度探測方法,可以有效反映工作面內(nèi)的陷落柱或斷層等地質(zhì)構(gòu)造,且探測分辨率高。目前,國內(nèi)槽波地震探測采用孔中炸藥震源激發(fā)和孔中檢波器接收的方式。但槽波震源孔和檢波孔成孔及數(shù)據(jù)采集過程較為復(fù)雜,施工成本較高,同時占用礦方生產(chǎn)時間較長,帶來較多不便。本文首先采用了礦井無線電波透視法對某煤礦3301工作面進行無線電波透視全覆蓋探測,然后對重點異常區(qū)域進行槽波地震精細探測,既有效減少了槽波地震探測工作量,又實現(xiàn)了異常體的定性解釋和精確定位,從而達到良好的探測效果。

1 地質(zhì)概況

某礦井田內(nèi)主要發(fā)育構(gòu)造為斷層和陷落柱,開采煤層為3#煤,平均煤厚6.1 m。3301工作面走向長700 m,傾向長220 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖,直接底為泥巖。工作面整體向斜構(gòu)造,停產(chǎn)線處較高,切眼巷較低,煤層傾角平均5°。據(jù)三維地震探測結(jié)果資料推斷工作面內(nèi)可能存在陷落柱,具體位置偏差可能較大。為防止影響生產(chǎn)銜接,需要在井下采用綜合物探方法對該陷落柱進行定位探查以確保安全開采。

2 探測原理和方法

2.1 無線電波透視

電磁波在井下巖層中傳播時,由于各種巖、煤電性質(zhì)(電阻率ρ和介電常數(shù)ε)的不同,對電磁波能量吸收不同,低阻巖層對電磁波吸收能力強。當(dāng)電磁波傳播前方遇到陷落柱時,電磁波能量將被損耗[8]。在礦井回采工作面一條順槽發(fā)射電磁波時,當(dāng)電磁波穿過煤層途中遇到陷落柱時,電磁波能量將被吸收或完全屏蔽,這將導(dǎo)致巷道只能接收到弱信號或接收不到電磁波透射信號,形成所謂的透視異常區(qū),即為所要探測陷落柱的位置和范圍(如圖1),從而進行陷落柱解釋[9]。

圖1 無線電波透視法工作原理圖Fig.1 Working principle of radio wave perspective method

2.2 槽波勘探

煤層中激發(fā)的地震波除了少部分向外部輻射外,由于受頂?shù)装鍘r層界面的制約作用剩余能量被禁錮在煤層之中發(fā)生多次全反射,形成槽波。槽波勘探是應(yīng)用槽波來探查地質(zhì)構(gòu)造的物探方法，通常根據(jù)探測目的和布置方式的不同分為透射法，反射法和透射與反射聯(lián)合法。

透射法槽波勘探。在一條巷道的煤層內(nèi)激發(fā)地震波,在另一條巷道的煤層內(nèi)接收槽波,檢波器接收到的地震波主要為透射槽波,因而稱為透射槽波勘探,透射法原理圖如圖2所示。檢波器和炮孔分別布置在兩條巷道煤層的中間位置,當(dāng)槽波傳播路徑中遇到陷落柱時,槽波的能量將減弱,通過分析接收到的槽波數(shù)據(jù)如振幅、能量、頻率等的變化,從而探測出工作面內(nèi)的陷落柱[10-12]。

圖2 透射法槽波勘探工作原理圖Fig.2 Working principle of in-seam seismic transmission exploration

3 陷落柱定位勘探實例

為了探明某礦3301工作面內(nèi)部陷落柱位置,首先對整個工作面走向長700 m施工無線電波透視,根據(jù)無線電波透視結(jié)果可以先對異常進行定性和橫向位置確定,然后對發(fā)現(xiàn)的重點異常區(qū)域進行槽波地震精細探測,提高垂向探測分辨率,利用綜合物探方法對該異常區(qū)域進行定位探查。對整個工作面進行無線電波透視探測時需施工人員5名,礦方工作面停電2 h。針對無線電波透視探查到的重點異常區(qū)域(360 m透射槽波)進行槽波勘探,施工炮孔和檢波器孔工作人員3名,用時2 d;安裝設(shè)備、放炮及數(shù)據(jù)采集和回收設(shè)備用時3 d,施工人員10名。

3.1 無線電波透視

1)無線電波透視系統(tǒng)施工方法。觀測方式采用定點法,即發(fā)射機相對固定于某巷道事先確定好的場強值,觀測射線呈扇形分布,發(fā)射線圈與接收線圈所在平面應(yīng)與巷壁垂直。為確定透視異常的位置與分布范圍,要調(diào)換發(fā)射與接收巷道的位置,重復(fù)定點觀測方式,用以射線交會,劃分異常。在3301工作面進風(fēng)順槽發(fā)射時,設(shè)置發(fā)射點14個,對應(yīng)的每個發(fā)射點在3301工作面運輸順槽接收11個數(shù)據(jù);在3301工作面運輸順槽發(fā)射時,設(shè)置發(fā)射點14個,對應(yīng)的每個發(fā)射點在3301工作面進風(fēng)順槽接收11個數(shù)據(jù)。發(fā)射點間距50 m,接收點間距為10 m；現(xiàn)場標(biāo)點0號點為切眼,每隔10 m一個點。

2)無線電波透視法結(jié)果。本次數(shù)據(jù)用無線電波透視CT軟件進行反演,反演結(jié)果以實測場強曲線圖(陷落柱為“V”字形曲線)和SIRT法反演(深藍色為低場強值,白色為高場強值)場強分布圖表示。從圖3、4實測場強曲線圖可以看出，該工作面切眼0～480 m區(qū)間整體場強值在71 dB左右,而且場強曲線穩(wěn)定,說明該區(qū)域不存在地質(zhì)異常;在距切眼480～620 m范圍內(nèi)整體場強值小于71 dB,最小值為6 dB左右,而且該區(qū)間實測場強曲線呈現(xiàn)“V”字形曲線形態(tài),說明該區(qū)域?qū)﹄姶挪ㄎ漳芰?推斷為陷落柱反應(yīng)區(qū),圈定了1處異常,如圖5所示。異常形態(tài)總體呈條帶狀,貫通運輸巷和進風(fēng)巷,垂向范圍較大,無法分辨陷落柱在采煤工作面內(nèi)的影響范圍。

圖3 3301工作面進風(fēng)順槽發(fā)射實測場強曲線圖Fig.3 Measured field strength curves of in-take gateway of No.3301 working face

圖4 3301工作面運輸順槽發(fā)射實測場強曲線圖Fig.4 Measured field strength curves of transportation gateway of No.3301 working face

圖5 3301工作面無線電波透視結(jié)果(場強分布)圖Fig.5 Radio wave perspective results (field strength distribution) of No.3301 working face

3.2 槽波勘探

1)槽波勘探施工方法。本次勘探采用透射法進行勘探,設(shè)計探測長度為360 m(3301工作面措施巷以里360 m)。透射槽波布置37個炮孔和37個檢波孔。

2)槽波勘探結(jié)果。圖6為選取該工作面內(nèi)比較典型的第3炮透射槽波單炮記錄。其透射槽波特征為:能量相對較強,速度相對較低，頻率相對較高。通過對各單炮記錄的仔細分析可以看出,槽波整體發(fā)育良好,埃里相特征明顯,較為清晰連續(xù),但在部分數(shù)據(jù)中能量衰減加劇,說明工作面內(nèi)部分區(qū)域存在地質(zhì)異常情況影響。

圖6 槽波透射第3炮單炮記錄Fig.6 The third shot record by in-seam seismic transmission

槽波透射結(jié)果如圖7所示,槽波透射采用能量法分析,并根據(jù)透射槽波振幅值,利用CT層析成像方法得出衰減系數(shù)圖,根據(jù)衰減系數(shù)的透射槽波能量變化特征,判斷地質(zhì)構(gòu)造的位置和范圍。圖7中暖色(紅色)區(qū)域表示能量衰減大,綜合無線電波透視和槽波透射勘探結(jié)果,推斷該區(qū)域為陷落柱。

圖7 槽波透射探測結(jié)果圖Fig.7 The result of in-seam seismic transmission exploration

3.3 綜合勘探結(jié)果及探采對比

圖8為無線電波透視和槽波勘探綜合結(jié)果及探采對比圖。目前該工作面已經(jīng)回采結(jié)束,從圖中可以看出，實際回采陷落柱與三維地震結(jié)果偏差比較大,三維地震探測陷落柱尺寸為長軸135 m,短軸118 m。而綜合勘探陷落柱位置和實際回采揭露位置基本吻合,綜合物探勘探陷落柱長軸100 m，短軸83 m,實際該陷落柱長軸94 m,短軸64 m，大小也基本吻合。

綜上所述,結(jié)合無線電波透視和槽波勘探的各自優(yōu)勢能夠準(zhǔn)確定位陷落柱。

圖8 綜合勘探成果及探采對比圖Fig.8 Comparison between comprehensive geographic perspective explorationand actual measurement

4 結(jié)論

1)對采煤工作面整體進行無線電波透視探測,可定性分析工作面內(nèi)陷落柱。其場強曲線呈“V”字型衰減,橫向分辨率比較高,但是縱向分辨率較低,呈現(xiàn)條帶式異常。

2)針對采煤工作面無線電波透視異常區(qū)域應(yīng)用槽波勘探技術(shù),其勘探結(jié)果對該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相應(yīng)明顯,且橫、縱向分辨率都比較高,但是對異常區(qū)域定性存在多解性。

3)綜合全工作面無線電波透視探測和重點區(qū)域槽波地震探測,可以實現(xiàn)陷落柱的性質(zhì)判別和準(zhǔn)確定位。該方法可以減少槽波探測工作量和礦方停工時間,提高探測效率。該方法可以為礦方安全生產(chǎn)提供可靠地質(zhì)保障資料,可在今后類似的工作面勘探中推廣應(yīng)用。