任菲菲

（山西沁和能源集團九鑫煤業(yè)有限公司，山西晉城048000）

1 概述

煤礦陷落柱是煤田地區(qū)下伏石灰?guī)r中巖溶發(fā)育，同時在其自重作用下，覆巖不斷向下塌陷而形成的堆積物[1-3]，其富水特征因地而異，長期以來，陷落柱一直威脅著我國煤礦安全生產(chǎn)，同時影響煤礦安全高效發(fā)展[4-6]。

陷落柱是一個比較復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，它的形成多與灰?guī)r有關(guān)，其內(nèi)部多為松散且成分比較復(fù)雜。正常的底層沉積層序被打亂，陷落柱與周圍煤巖層在特征上存在著重大差別[7]。

目前，對于煤礦陷落柱的探測主要以物探技術(shù)為主。王赟[8]采用地震的繞線波特征進行了分析，利用斷陷點對陷落柱進行識別；吳守華[9]等采用地震剖面的歸納與總結(jié)，得出不同條件下的地震響應(yīng)特征，并成功識別陷落柱；楊武洋[10]采用電磁法對煤礦陷落柱進行了探測，通過不同的電阻率分析不同區(qū)域的富水特征。

以上眾多學(xué)者采用不同的物探技術(shù)對陷落柱的特性進行了研究。物探技術(shù)存在較多不足，且沒有相關(guān)的鉆探進行驗證，探測結(jié)果存在一定的不足，探測準(zhǔn)確性大大降低，給煤礦安全帶來威脅。根據(jù)礦井防治水細則，應(yīng)物探先行、鉆探驗證的方針進行。因此，基于以上問題。本文霍州煤電某礦為試驗礦井，采用多種物探技術(shù)對礦井井下工作面陷落柱進行綜合探測，并根據(jù)鉆探對物探進行驗證，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

2 工程面及儀器

2.1 工作面情況

山西焦煤集團有限責(zé)任公司霍州煤電集團公司某煤礦6102工作面全長550m,工作面寬度為105m，工作面煤層傾角為7°。煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度9.82m為單一穩(wěn)定煤層，在工作面巷道機開切眼掘進過程中，沒有揭露地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域。但在距離工作面75～85m區(qū)域內(nèi)，工作面煤層一幫有水流，經(jīng)過一段時間后，工作面巷道頂板出現(xiàn)大量的淋水，淋水量較大，可達出水量為4～6m3/h。為了保證工作面的安全生產(chǎn)，決定對異常區(qū)域進行綜合物探，采用瞬變電磁和無線電波透視技術(shù)對異常區(qū)域進行探測分析，并對物探區(qū)域進行鉆探驗證。

2.2 儀器

2.2.1 瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁技術(shù)是一種利用電磁原理來探測地質(zhì)異常區(qū)的一種方法，它在測試中不需要連接相關(guān)的線路或者其他接地線的形式向被探測區(qū)域發(fā)射一次脈沖磁場。當(dāng)進行一次脈沖磁場后，在脈沖磁場的間歇階段會形成二次感應(yīng)渦流場，利用形成的這種渦流場能夠探測巖層的電阻率變化特征，利用不同的電阻率變化特征來判定被探測介質(zhì)的構(gòu)造特性。瞬變電磁技術(shù)探測原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁探測原理圖

在一次脈沖磁場間歇階段形成的渦流場與被探測介質(zhì)的電阻率特性密切相關(guān)，同時，對于相同巖性的電阻率其值也是不同的，巖層的完整性越好其電阻率越高，巖層的完整性越差其電阻率越低。對于巖層形成的電阻率值較高的區(qū)域其渦流場反而較弱，而電阻率較低的區(qū)域其渦流場反而較強。通過探測得出的渦流場的情況綜合分析被探測介質(zhì)的電阻率情況，通過得出的電阻率變化特征分析被探測介質(zhì)的巖性、含水特征、構(gòu)造特性等相關(guān)特征。

本次試驗為了更加準(zhǔn)確地探測構(gòu)造情況采用加拿大公司GEONICS研發(fā)的新型的PROTEM+TEM-47瞬變電磁儀器，該儀器具有抗干擾能力強、探測精度非常高、受環(huán)境影響小的優(yōu)點。

2.2.2 無線電波透視技術(shù)

無線電波透視技術(shù)也是一種利用電磁波探測構(gòu)造的一種方法。該方法是通過儀器發(fā)射電磁波，電磁波在被探測介質(zhì)中進行傳播，傳播的過程中會發(fā)生電磁波能量的衰減，遇到不同的巖性及構(gòu)造其能量衰減是不同的，因而在介質(zhì)中傳播其能量存在著較大的變化，在工作面的兩條巷道中放置發(fā)射儀器和接收器，覆蓋整個工作面進行CT掃描，在介質(zhì)傳播過程中能量衰減變化異常的區(qū)域會形成明顯陰影區(qū)，通過分析能量異常陰影區(qū)的特點，分析異常區(qū)的范圍及富水特性。無線電波透視技術(shù)其探測結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電磁波透視法工作原理

3 工作面陷落柱探測研究

3.1 無線電波透視技術(shù)研究

無線電波透視技術(shù)采用12～18次定點覆蓋測量的方法，接收點距離為10m，發(fā)射點距離為20～60m，發(fā)射頻率為0.6MHz。從接收信號可知，在6102工作面迎頭處存在一個異常區(qū)。衰減值在-14～-39dB之間，圖3為定點觀測強度曲線。

圖3 6102工作面無線電波透視法場強曲線

由圖3可知，圖3（a）中曲線呈“V”字型，圖3（b）呈“半坡”型，其中“V”字型曲線主要是由接收點信號受異常區(qū)吸收所致，而“半坡”型曲線說明其只有一側(cè)的接收信號受到影響。圖3（c）為平常的近似理論值曲線，說明無異常區(qū)域，圖3（d）曲線呈近似“小V”型，且其強度值較低，經(jīng)分析主要是由于發(fā)射點和接收點輻射范圍內(nèi)低電阻率異常體所致，綜合以上分析知，該異常體位于近機巷區(qū)域，采用曲線分析法和成像技術(shù)得出圖像解釋結(jié)果，即在61021巷距迎頭75～105m范圍內(nèi)，煤層中大約20m處存在陷落柱異常體，后經(jīng)相應(yīng)處理，目前6102工作面已回采完畢，回采揭露表明，在6102工作面61021巷迎頭上幫大約20m處存在一個陷落柱。

從6102工作面陷落柱無線電波透視資料分析可知，中心衰減值在-32～-39dB之間,在陷落柱周圈,異常區(qū)幅度呈遞減趨勢，衰減值在-14～-32dB之間。因6102工作面陷落柱位于工作面中間，兩巷均有較好的探測條件。從無線電波透視場強曲線上表現(xiàn)出“半坡”型、“V”字，曲線的多樣性是由于接收點與發(fā)射點跟陷落柱之間空間位置的變化所致，遠離陷落柱呈“V”字型等，近陷落柱呈近似理論探測曲線。

3.2 瞬變電磁探測技術(shù)研究

瞬變電磁技術(shù)探測的測點布置在工作面61021巷和61022巷之間的工作面切眼處，采用2×2m重合回線，測點探測方向示意圖如圖4所示，探測結(jié)果處理等值線如圖5所示。

圖4 探測方向示意圖

圖5 探測數(shù)據(jù)圖

由圖5數(shù)據(jù)圖可知：勘探體為拱形體。瞬變電磁為全空間響應(yīng)，其實際勘探體積是以回線為對稱的拱形，在探測前期，探測深度較淺，是因為近距離電性瞬變響應(yīng)，隨著探測深度的不斷延伸，探測面積逐漸擴大，電性變化率高，在探測數(shù)據(jù)圖上，距離開切眼水平距離52m左右，發(fā)育深度為20m（45～65m之間）的低電阻率區(qū)。

4 鉆探驗證

根據(jù)物探成果圖，在工作面布置了三個驗證鉆孔，3#鉆孔在鉆進37m和58m處分別出水4m3/h和22m3/h，2#鉆孔在鉆進42m處涌水量為8.6m3/h，1#鉆孔從18.9～38.7m有水涌出，最大為26.8m3/h，同時在無線電波透視異常（陰影）區(qū)，陷落柱在工作面回采過程中已被揭露證實，且由鉆孔出水情況可推算出陷落柱附近存在富水區(qū)，綜上可知物探結(jié)果還是比較可靠的，對工作面安全開采具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)無線電波透視數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出在61021巷距迎頭75～105m范圍內(nèi)，煤層中大約20m處存在一個陷落柱異常體。

（2）根據(jù)瞬變電磁數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出距離開切眼水平距離52m左右，發(fā)育深度為20m（45～65m之間）的低電阻率區(qū)。

（3）鉆探結(jié)果證實了物探結(jié)果的準(zhǔn)確性，為工作面安全回采提供了依據(jù)。