综合矿井物探技术在陷落柱探测中的应用

焦 阳，廉玉广，李梓毓，窦文武，李 刚，谭 菁

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 技术研究院，山西 晋城 048061；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

我国煤矿地质条件较为复杂，煤层中赋存着性质各异、规模不同的地质构造，以陷落柱、断层为主。其中，陷落柱的存在破坏了煤层及围岩的稳定性，严重影响机械化采煤和正常生产，另外，如果煤层带压开采，与奥陶系陷落柱直接沟通，陷落柱极易成为导水通道，诱发水害事故发生[1-4]。因此，工作面回采之前，探明其内部陷落柱的发育状况对煤矿生产至关重要。

目前，回采工作面内陷落柱的精细化探查手段主要以无线电波透视为主，但其传播距离较短、纵向分辨不高。槽波勘探作为一种可用于井下的高精度探测手段，能够有效反映采面内的主要地质异常(陷落柱、断层等)，且探测分辨率高。本文采用无线电波透视与槽波勘探综合探测陷落柱取得了良好的效果[5-9]。

1 探测原理与方法

1.1 无线电波透视

电磁波在地下煤岩层中传播时，由于煤岩电性特征的不同，它们对电磁波的吸收能力不一，当电磁波在前进方向上遇到异常界面时，其能量会有所损耗。因此，电磁波在采面内穿过煤层途中遇到陷落柱、断层等其他地质构造时，其能量会被大量吸收或完全屏蔽，造成接收巷道收到的信号微弱，或收不到透射信号，故而形成所谓的异常。

无线电波透视技术一般在工作面的2条巷道进行，一条巷道布置发射点，向煤层中发射某一频率的电磁波，在另外一条巷道布置接收点，观测电磁场的场强信号变化，如果电磁波遇到的介质发生电性变化时，接收信号显著减弱或收不到有效信号，如在巷道内多点观测，则形成所谓的“透视异常”，无线电波透视法的信号收发示意见图1。

图1 无线电波透视法的信号收发示意

1.2 槽波勘探

在煤层中激发的地震波除部分向三维空间辐射外，其余能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层之中，不向围岩外“泄漏”，在煤层通道中相互叠加、相互干涉，形成槽波。槽波发现于1955年。槽波地震勘探便是利用槽波来探查地质异常体的一种物探方法[10-12]。

槽波地震勘探根据探测目的与布置方式的不同，可以分为透射、反射和透射-反射联合探测。槽波透射法原理如图2所示，检波器布置在工作面的一个巷道内，炮点布置在工作面的另一个巷道内，以此接收来自炮点的地震波透射信息。

图2 槽波透射法勘探原理示意

2 探测陷落柱实例

2.1 工作面概况

晋煤集团某煤矿4321工作面巷道长730m，切眼宽度195m，开采3号煤层，平均厚度为5.3m，稳定可采，巷道掘进过程中，在距切眼20～80m位置揭露一陷落柱，但无法确定其采面内的影响范围，另外，受三维地震勘探的局限性，采面部分地质构造未能精确查出，而其内部可能存在隐伏性陷落柱、断层。因此，为了进一步查明4321工作面内部的地质异常区域，保障工作面安全开采，故在4321工作面开展无线电波透视与槽波勘探综合物探工作。

2.2 无线电波透视成果

本次无线电波透视在2条巷道中进行，采用“双发双收”方式施工，一条巷道接收，另一条巷道发射，之后调换巷道收发。在43211巷发射时，发射点20个，发射点间距40m，43213巷接收点340个，接收点间距5m；在43213巷发射时，发射点20个，发射点间距40m，43211巷接收点340个，接收点间距5m。

综合巷道的接收场强曲线(陷落柱位置的场强曲线呈“V”型衰减)及吸收系数的反演成图(冷色代表场强强衰减区域，即异常反应)，无线电波透视成果共圈定1处异常，见图3，位于距切眼15～108m范围，与巷道实际揭露陷落柱的位置吻合，但其异常形态呈矩形，无法精确画定陷落柱在采面内的影响范围。

图3 4321无线电波透视成果

2.3 槽波勘探成果

本次槽波勘探以透射为主，在43211巷及切眼布置炮孔55个，间距20m，在43213巷布置检波器孔37个，间距20m，每个检波器采用双分量解释震波数据。

本次数据处理采用槽波透射法能量分析，在得出探测范围的槽波振幅值后，采用CT层析成像方法绘制衰减系数云图，根据衰减系数成像中的槽波能量变化特征，推断地质构造的位置、范围。

图4为本次槽波探测成果示意图，暖色区域表示能量衰减严重，推断为地质构造影响，综合无线电波透视成果及巷道实际揭露构造情况，共圈定5处地质异常：YC1推断为陷落柱，长轴80m，短轴62m，位于切眼以里30～110m；YC2推断为陷落柱，长轴88m，短轴80m，位于切眼以里10～98m；YC3，YC4推断为断层影响，延伸长度分别为78m和26m；YC5推断为地质异常体，暂时无法辨别其性质，位于切眼以里585～661m。

2.4 探采成果对比

目前，4321工作面已经安全回采完毕，综合无线电波透视与槽波地震勘探成果圈定的异常，均已完成验证(以槽波探测成果圈定的YC1-YC5异常为准)，其中：YC3，YC4和YC5异常地段分别揭露SF291，SF292和SF293断层，且走向与延伸范围均较吻合，在此不再赘述；YC2异常揭露陷落柱SX93，长轴85m，短轴78m，影响范围在图4中YC2异常红色实线圈定范围内；YC1异常揭露陷落柱SX94，长轴75m，短轴60m，影响范围在图4中YC1异常红色实线圈定范围内。

图4 4321槽波地震勘探成果

综上所述，结合无线电波透视与槽波勘探的各自优势能够准确圈定陷落柱，特别是“串珠型”陷落柱，而且对断层等地质构造的反应效果良好。

3 主要结论

(1)无线电波透视技术，对采面内陷落柱的反应比较敏感，其场强曲线呈“V”型衰减，横向分辨率较高。

(2)槽波勘探技术，对采面内主要地质异常(包括陷落柱、断层等)均有明显反应，且横、纵向分辨率均较高。结合无线电波透视成果，可以更准确圈定陷落柱，特别是“串珠型”陷落柱的发育状况，对保障矿井的安全生产意义重大。