矿井综合物探方法在工作面掘进至陷落柱精细探测中的应用

李健鑫,王 鹏,韩慧栋

(山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司,山西 高平 048400)

陷落柱是伯方矿广泛发育的一种以隐伏垂向为主的地质结构,其主要有以下危害:一是破坏可采煤层,减少煤炭储量,使开采条件复杂化,降低回采率。二是增加岩巷的掘进率,增加掘进工作量,降低掘进速度,增加支护难度。三是影响煤矿安全生产,陷落柱附近煤层顶板及煤体一般较为破碎,容易发生冒顶、片帮事故;在接近陷落柱处,工作面瓦斯涌出量可能急剧增大,易发生瓦斯事故;在带压区遇到导水陷落柱可能发生突水事故[1-5]。因此,查明陷落柱的规模、位置、确定掘进巷道绕过或穿越陷落柱的距离,对矿井生产活动的安排具有重要的指导意义。

1 工程概况

1.1 矿井地质

伯方矿为沁水煤田高平矿区王报井田的一部分,矿井面积27.491 6 km2,核定生产能力210万t/a,现开采二叠系山西组3#煤层,煤层厚3.78～6.10 m,煤层平均厚5.31 m,为全区稳定可采煤层。井田构造形态总体为走向北东,倾向北西的单斜构造,地层倾角为3°～8°,在此基础上发育有次一级宽缓褶曲、17条落差5 m以上的断层及134个陷落柱。

1.2 陷落柱发育特征

依据地表发现、三维地震勘探及井下揭露发现,陷落柱水平断面形态以椭圆形为主,其次为圆形或近圆形,还存在少许不规则形,长轴直径在15～284 m之间,短轴直径10～120 m。平面展布上,陷落柱总体呈线状、串状发育,东部发育密度小,西部发育密度大。井田内总体呈菱形分布,和新华夏的一组构造裂隙分布情况基本吻合,说明本区地下水活动受构造裂隙控制较强。

由于陷落柱数量多、规模大,对巷道掘进与工作面连续推进有较大的影响。井田陷落柱发育,由于受水文地质背景的影响,导富水性一般较差。在本矿揭露的41个陷落柱中,除极个别有滴、淋水现象外(水量在2 m3/h以下,水源主要为煤层顶板砂岩裂隙水),大部分陷落柱无水。分析其原因,在陷落柱顶端,由于压实作用减弱,且受采动作用影响,会出现顶板水下渗现象。由于沁水盆地属稳定地块,无地震活动,加之石炭系太原组与奥陶系峰峰组灰岩的弱含水性,沟通底板水的可能性不大。

2 揭露陷落柱发育特征

本文以3305运输顺槽工作面为研究对象,当该工作面掘进至220 m时,巷道实际揭露陷落柱,而该陷落柱在三维地震勘探中并未解释。在掘进工作面按原计划进入陷落柱体10 m后,为探明其规模和掘进迎头需通过的长度,在现有的巷道条件下,利用全方位探测仪和瞬变电磁仪对3305掘进头陷落柱进行了综合物探探查。

通过对陷落柱的现场地质观察和实地调查,总结其特征如下:

1)掘进工作面在接近陷落柱约2～5 m的位置,工作面滴水、淋水不断,但涌水量不大,与柱体相接触部位的煤层及顶板岩层产状稍有变化,倾向柱体,部分伴生有倾向柱体的牵引小型正断层;柱体周边煤体由于长期受应力集中作用,蠕变变形较为明显,煤体碎裂,煤质松软,光泽稍暗,稍有氧化,无水锈。

2)陷落柱内主要为煤系顶板的破碎岩块、角砾及泥砂堆积,岩体极为杂乱;基质多由较细至极细的岩屑、岩粉和黏土粒组成,这些基质包裹着大大小小的岩块,并且已经发生胶结,且胶结程度较高;由于黏土粒成分高,会堵塞岩体内的裂隙,因此不利于地下水的赋存。掘进工程穿过柱体时,不滴水、不淋水,表明已不在径流带或排泄区内,补、径、排条件已经很差,岩溶作用已停止。

3 综合物探工作方法与成果

3.1 掘进头三点-三极法

3.1.1探测原理

矿井直流超前探测法采用三极装置,在全空间介质中利用单点电源A供电(另一供电电极B置于相对无穷远处),用M、N电极测量。超前探测与电测深法的工作原理不同,它是将A极固定在巷道迎头,向后逐步移动M、N电极,测量电位差ΔUMN,并以测量电极M和N的中点为记录点,计算视电阻率后,就可绘制出沿巷道的视电阻率剖面曲线。

3.1.2工作布置

根据本次井下电法勘探任务,于2015年9月28日8点班,利用掘进工作面现有巷道条件,采用YTD400(A)矿井全方位探测仪探查巷道前方构造。本次探测的形式为巷道掘进头超前探测,探查位置位于3305运输巷230 m深处,测点距迎头2 m,巷道倾角2°～3°,底板有少量浮渣,清理后打入电极,设计步长为4 m,用以探测前方80 m的陷落柱发育情况,采用三点(A1、A2、A3)-三极(M、N、B)超前探测装置,具体的井下工作布置情况,如图1所示。

图1 三点-三极超前探测工作布置图Fig.1 Layout of three-point-three-pole advance detection

3.1.3探测结果分析

采用系统软件对YTD400(A)矿井全方位探测仪所采集的数据进行编辑、处理、解释与成图,探测结果如图2所示。在探测前方0～10 m范围有显著的高阻异常,10～11 m范围为正常值向低阻的过渡带,10～13 m范围出现明显的低阻异常,13～15 m重复出现低阻向正常值的过渡带,15 m以后基本为正常值,仅在44 m处有一小段相对低阻异常带。

结合陷落柱实际揭露特征推断,0～10 m为掘进头陷落柱体的范围,这是因为伯方矿陷落柱内部岩石已胶结,且胶结程度较高,黏土粒已堵塞岩体内的裂隙,不利于地下水赋存,因此呈现高阻异常;10～15 m为陷落柱向煤层接触过渡带的滴、淋水部位,其原因为过渡带煤体碎裂,顶板砂岩水在遇到阻水的陷落柱后,顺着柱体周边破碎煤体的裂隙向下补给,因此呈现低阻异常;15 m以后基本为正常煤层。

图2 三点-三极探测结果图Fig.2 Three-point-three-point detection results

3.2 掘进头瞬变电磁法

3.2.1探测原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法(简称TEM),利用不接地回线(线圈)向被测地质体发射脉冲式电场作为场源(一次场),以激励被测地质体产生二次场,在发射脉冲的间隙利用接收回线(线圈)接收二次场随时间变化的响应。从接收的二次场数据中分析出地质体异常导电体的位置,从而达到解决地质问题的目的。

3.2.2工作布置

在同一位置采用瞬变电磁探测仪对巷道掘进头进行超前探测,探测前方100 m的陷落柱发育情况。采用2 m×2 m的多匝矩形重叠回线装置,分别沿巷道掘进方向进行超前探测,发射线框与煤层顶板、顺层和底板的夹角分别为60°,90°,60°,发射线框每次改变15°进行探测,探测范围为掌子面前方的扇形区,超前探测工作布置情况,如图3所示。

图3 瞬变电磁超前探测工作布置图Fig.3 Layout of transient electromagnetic advance detection

3.2.3探测结果分析

采用系统软件对瞬变电磁仪所采集的数据进行编辑、处理、解释与成图,对巷道顶板、顺层、底板的探测结果,如图4(a)—4(c)所示。在探测正前方0～20 m范围,由于采用多匝小回线装置形式,发射电流关断时间过长,存在近距离探测盲区。正前方20～100 m范围为正常区域。在右前方20～40 m处有一高阻异常区。两帮测点的低阻异常是因为受到金属锚网支护的影响。

由于初见陷落柱的位置为测点的后方10 m处,测点前方20 m已为正常煤体,与右前方45°方向20～40 m处的高阻异常区结合,圈定出陷落柱体的范围,如图4(d)所示。据此可以推断,掘进巷道摆脱陷落柱的影响约在正前方10 m处,且左帮先见煤。

图4 瞬变电磁超前探测结果Fig.4 Transient electromagnetic advance detection results

4 探测对比效果分析

经巷道实际揭露,在测点位置向前掘进10 m至240 m处巷道左帮先见煤,随后走出陷落柱;在走出陷落柱2～5 m的位置,工作面出现滴水、淋水现象,很好地验证了三点-三极探测成果图中陷落柱与煤层的接触过渡带的低阻异常。综上所述,说明本次综合物探结果较为准确。

5 结论

1)伯方矿陷落柱的地质构造特点和物质结构特点,决定了综合物理探测手段的适应性和有效性。由于陷落柱、接触过渡带、煤层之间存在显著的电性差异,此界面特征使其能够在三点-三极超前探测中有良好的反应。同时通过瞬变电磁能够准确圈定出陷落柱的范围。两种物探手段相结合进行联合解释,可使物探成果的精度和可靠度大为提高。

2)在探测小型构造方面,井下综合物探手段可作为地面物探的重要补充,且能提供更为准确的探测结果。在地面,由于目标物埋深较大并且受物探方法本身技术发展水平及分辨率的限制,只能较为粗略地圈定陷落柱的位置和范围。而在井下,已有地质异常体或陷落柱已部分揭露,为近距离探测提供了有利条件,可以根据陷落柱及伴生地质现象的特点,对陷落柱的范围做出更为准确的界定。

3)本文在对陷落柱地质特征研究的基础上，进行综合物探成果解释,为伯方矿陷落柱的探查提供了新的思路和方法。该方法通过对陷落柱的构造特点、物质结构特点及伴生现象的观察和描述,侧重对其成因的分析和研究,并在此基础上利用其电性特征进行综合物探,进一步探查和解释,从而取得良好的探测结果。