资源整合矿井掘进工作面综合探水实践

曾 泰

(山西煤炭运销集团 泰山隆安煤业有限公司,山西 忻州 036600)

某公司井田位于河东煤田北部边缘,构造形态整体为向西缓倾的单斜构造,地层产状平缓,近南北走向,倾向260°,倾角2°～8°。井田内无大型地质构造、岩浆岩侵入、陷落柱等其他构造,奥灰水水位标高+841.59 m。目前开采的11301工作面开采标高+890 m～+942 m,采区周边小窑和老窑采空区已基本查明;煤层直接顶为砂质泥岩,厚度3 m～12 m;基本顶为中砂岩、细砂岩,厚度5 m～16 m[1]。

为提前掌握掘进工作面前方老空水患情况,拟采用YDZ(A)型防爆数字直流电法仪和TEMHZ75型矿用瞬变电磁仪对11301掘进工作面进行超前物探。

1 瞬变电磁仪及直流电法仪工作原理

1.1 瞬变电磁仪的工作原理

瞬变电磁法通过不接地发射线圈向被测地质体发射脉冲式电场作为一次场源,激发被测地质体产生二次场,在发射脉冲的间隙通过接收线圈接收二次场产生的响应;通过接收二次场响应数据分析地质体异常差异,通过不同地质体的差异来确定低阻异常区的范围及异常程度[2]。

1.2 直流电法仪的工作原理

直流电法勘探工作原理是通过不同岩性的电性差异,在巷道内布置供电电极,使得电流在巷道周围岩层中建立整体空间的稳定电场。电流通过不同的岩层及地质构造时,电流场会发生变化,通过研究这种电流场的变化规律,来确定地下不同矿体及地质构造的形态和规模。

YDZ(A)型防爆数字直流电法仪由一组锂电池、逆变电路、发射电路、接收电路及其他显示存储等部分共同组成。输出的直流电压经逆变升压电路产生70 V或100 V的高压,经转化后,通过固定电极(A1、A2、A3)供入大地;同时通过移动电极(M、N)接收感应信号,然后将信号放大并转换成数字存入存储设备中,最后通过串口完成数据交换。

2 实例应用

2.1 工程概况

11301工作面位于井田中南部,地质构造简单,存在小型断层,落差1.0 m～3.5 m;无其他地质构造。工作面走向长1 297 m,倾向长240 m;开采标高+887 m～+942 m;工作面东部为某镇办煤矿老空积水区,老空积水区边界未实测,仅根据旧小窑少量资料及走访调查圈定;南部为民采废弃小窑破坏区,无积水;西部为实体煤,北部为11#煤采区下山大巷,上覆为8#煤采空区,层间距平均35 m。

为了确保11301工作面东部回风顺槽安全掘进,从距顺槽开口650 m开始,采用瞬变电磁与直流电法相结合进行超前探测,650 m～1 175 m均未发现物探异常区;距巷道开口1 175 m(FW20向正西70 m)时通过瞬变电磁与直流电法超前探测发现前方100 m范围内存在低阻异常区;瞬变电磁探测到左侧横轴20 m～70 m,纵轴30 m～80 m交汇处为低阻异常区,直流电法探测到迎头正前方64 m～68 m为低阻异常区。

2.2 11301回风顺槽物探设计

2.2.111301回风顺槽瞬变电磁物探设计

为探测掘进头正前方及左前方老空积水及含水构造形态分布情况;同时为测区内验证性探放水设计提供设计依据。本次探测范围为距11301回风顺槽开口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范围。图1为11301回风顺槽瞬变电磁探测布置图。

图1 11301回风顺槽瞬变电磁探测布置图Fig.1 Transient electromagnetic detection in 11301 return-air gateway

本次采用2 m×2 m矩形重叠线圈发射和接收信号。在掘进迎头位置呈扇形布置11个探测点,探测点间距为0.5 m～1.5 m,单个测点以顶板仰角30°、底板俯角30°、顺煤层三个方向进行探测。图2为矿用瞬变电磁探测示意图。

图2 矿用瞬变电磁探测示意图Fig.2 Transient electromagnetic detection in mines

2.2.211301回风顺槽直流电法物探设计

为探测掘进迎头前方老空区分布,导水构造情况及验证性探放水设计提供依据。本次探测范围为距11301回风顺槽开口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范围。具体施工方式为:距掘进迎头3 m～5 m处固定一组供电电极,命名为A1、A2、A3,测量电极M、N沿巷道底板箭头方向以5 m～8 m间隔移动,每移动一次测量电极M、N的电阻,测量一次A1、A2、A3的电阻。从而达到通过观测点电源场的分布特征来分析预测掘进头前方异常区域的位置分布的目的。图3为11301回风顺槽直流电法探测布置图。

图3 11301回风顺槽直流电法探测布置图Fig.3 Direct current detection in 11301 return-air gateway

2.3 超前物探成果及对比分析

2.3.1瞬变电磁物探成果

瞬变电磁超前探测解释成果示意图中,蓝绿色表示视电阻低阻异常区,红色表示相对高阻区,其它颜色表示过渡区。

瞬变电磁超前探测在11301回风顺槽左前方顺层和仰角30°方向均发现1处视电阻率相对低阻异常区，命名为1号异常，见图4。

4-a 瞬变电磁物探仰角30°方向扇形图

4-b 瞬变电磁物探顺层方向扇形图

4-c 瞬变电磁物探俯角30°方向扇形图图4 瞬变电磁物探扇形图Fig.4 Sector chart of transient electromagnetic geophysical exploration

2.3.2直流电法物探成果

图5为11301回风顺槽直流电法探测成果图。解释成果示意图中,蓝绿色区域表示视电阻率低阻异常区,砖红色表示相对高阻区,其它颜色表示过渡区。

直流电法超前探测在迎头前方发现1处异常,1号异常位于迎头前方64 m～68 m(即FW20点前144 m～148 m)之间,相对视电阻率值介于82 Ω·m～90 Ω·m之间,为低阻异常区。

图5 11301回风顺槽直流电法探测成果图Fig.5 Direct current detection in 11301 return-air gateway

2.3.3两种物探成果对比分析

通过瞬变电磁与直流电法两种物探手段对11301回风顺槽开口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范围的探测,得到如下成果:瞬变电磁掘进左前方横轴方向20 m～70 m,纵轴方向30 m～80 m交会区存在低阻异常区,直流电法迎头正前方64 m～68 m存在低阻异常区。

分析上述成果,在现场施工探测条件一致的情况下,虽瞬变电磁探测范围为空间扇形,可迎头正前方并未探测到低阻异常区,仅探测到巷道迎头左前方顺层方向及仰角30°方向的低阻异常区,直流电法探测到迎头正前方存在低阻异常区。两种物探成果存在差异性与争议性。

3 钻探验证方案及结论

3.1 钻探验证方案(含加密方案)

本着“物探先行,钻探验证,化探跟进”的原则,为了确保安全掘进,特针对11301回风顺槽开口1 175 m(FW20向正西70 m)向西100 m范围瞬变电磁与直流电法物探低阻异常区进行了钻探验证。设计施工方案为:在巷道迎头向左前方及迎头正前方异常区布置1组7孔验证性加密钻孔,孔1、孔2、孔3沿左前方顺层方向布置,设计孔深分别为87 m、107 m、95 m,孔4沿左前方仰角30°方向布置,设计孔深107 m,均探测瞬变电磁低阻异常区;孔5沿迎头正前方顺层方向探测,直流电法低阻异常区,设计孔深68 m;顺层孔以该处煤层倾角+2°施工,仰角30°方向钻孔以+4°施工;若施工过程中钻孔提前见顶见底,需调整倾角后继续施工,确保钻孔在煤层中达到设计深度。若按照设计施工后仍未探测到瞬变电磁低阻异常区,在原设计的基础上设计孔深均增加至120 m,同时施工加密孔,孔7、孔8,设计参数与孔1、孔3一致。图6为11301回风顺槽钻探验证施工布置图。

图6 11301回风顺槽钻探验证施工布置图Fig.6 Confirmation construction layout of drilling of No.11301 return-air gateway

3.2 钻探验证结论

通过施工钻探验证孔,孔1、孔3按照设计施工到位,孔2、孔4出现穿孔情况,调整倾角及开孔高度后进行了二次施工,最终达到设计孔深,但未探测到老空积水区、导水构造等低阻含水体;随后执行加密方案,孔7、孔8均按设计施工完毕,仍未探测到老空积水区、导水构造等低阻含水体。孔5施工至62 m时,钻孔不返水,停钻等待30 min,钻孔中有少量出水(0.5 m3/h),且钻孔出水逐渐变小(0.1 m3/h),无异味,水质清澈,确定为前方探测到导水构造,与直流电法探测低阻异常区(64 m～68 m)基本一致。

3.3 原因分析

根据验证性加密钻探得出上述结论。通过分析两种物探的技术原理及现场施工干扰因素,得出造成这种结论的主要原因有两点:一,瞬变电磁受金属及大型带电设备干扰较强,现场探测点附近右后方存在综掘机及机组供电电缆,导致其对称方向左前方出现大范围低阻异常区,这是造成物探低阻异常不准确的主要原因;二,直流电法受金属及大型设备影响较小,主要是由于其受空间影响小,灵活性强,故探测到前方存在低阻异常区位置较准确[3]。

4 瞬变电磁与直流电法优缺点对比

4.1 瞬变电磁技术优缺点

优点:分辨率高,异常响应强,施工简单便捷,成果直观明了。

缺点:易受金属体干扰；井下探测时,综掘机需远离迎头,电缆尽可能断电,线圈需远离金属体；对于皮带架、支护网片等无法移动的金属物,尽可能使线圈与它们保持一定的距离。

这些限制条件在井下生产现场大多不可能全部满足,但上述条件有一项影响,探测成果将会大打折扣,甚至出现误判误导,对高效安全的生产作业极为不利[4]。

4.2 直流电法技术优缺点

优点:抗干扰能力强,操作方法灵活简单,仪器携带便捷,探测响应灵敏,受巷道内综掘机等大型设备影响小,测线端的测量“盲区”短。

缺点:施工效率低,对操作人员技能素质要求较高,需要现场计算测量电阻值,现场剔除错误点、高误差点,装置复杂,移动电极需带线移动,且探测长度应与电极线长度一致,不利于在井下巷道移动,易被巷道行人行走时拉扯[5]。

5 结束语

井下物探工作是安全采掘的第一道保护屏障,随着时代的进步、技术的发展,物探技术也在不断地推陈出新,由此演变而来的物探新技术也应运而生,但大多新技术换汤不换药,未从根本上解决物探施工过程中的诸多干扰因素,存在复杂甚至误导的多解性。

随着采掘工艺的不断发展,目前已不乏物探新技术,但缺乏针对性与准确性,希望未来井下物探技术可以向单一针对性、去干扰、去多解性方向发展,切实为煤矿企业解决实际问题。