陷落柱导水性综合探查技术在采煤工作面中的应用

郭长明

(山西焦煤汾西矿业集团，山西 介休 032000)

陷落柱是华北地区煤炭开采时常遇见的地质构造，虽然多数揭露的陷落柱不具备导水性，但也有部分矿井误揭陷落柱导致突水事故，造成较大的安全威胁和经济损失[1-2]。因此，对采面开采范围内可能存在的陷落柱进行探测，根据探测结果及早制定应对预案，对提升采面煤炭生产效率具有显著的促进作用[3]。对于可能存在陷落柱的采面，需要精准探测陷落柱的发育位置、确定导水性及含水性，以便评价陷落柱对煤层回采的影响[4-7]。物探具备探测范围广泛、操作便捷等优点，在煤矿井下应用较为广泛[8]。为此，文章就采用综合探测技术对山西某矿81105综采工作面开采范围内的陷落进行探测，现场取得较好的应用效果。

1 工程概况

81105综采工作面位于8采区，回采11号煤层，煤层均厚4.75 m，赋存稳定，是矿井主采煤层。81105综采工作面设计走向推进长度1 550 m、采面宽度240 m，根据地面三维地震探测资料显示，在81105综采工作面开采范围内存在陷落柱，大致确定的陷落柱在采面内的发育位置如图1所示。

图1 陷落柱在采面内发育位置示意

为更好地确定采面内陷落柱的发育位置，采用物探及钻探相结合的方式确定具体陷落柱位置，并提出采用跳采方式过该陷落柱。新切眼距离陷落柱边缘为50 m.81105综采工作面回采巷道采用坑透、三维电法技术对陷落柱发育位置进行探测，并通过钻探方式验证陷落柱发育及导水性。探测结果为新切眼位置确定提供了指导。

2 陷落柱综合探测

2.1 采面坑透

81105综采工作面开采范围11号煤层顶底板为稳定的泥岩、砂岩，电阻率较低；回采的11号煤层电阻率较高，电磁波沿着11号煤层传播方向较远。当采面内电磁波遇到陷落柱等地质构造时，电磁波能量损失严重，在接收端接收到微弱信号或者接收不到信号，因此可通过坑透方式确定采面内陷落柱发育位置。81105综采工作面采用的坑透设备型号为WKT-6型，发射频率为0.365 MHz，在采面运输巷内发射无线电波并在回风巷内布置接收机逐点接收电磁波场强，发射点及接收点间距分别为25 m、5 m.具体采面坑透成果，如图2所示。

图2 采面坑透成果图

从图2看出，在探测范围中部位置，电磁波吸收系数较高(数值普遍高于0.034 db/m)，而在正常煤层段内电磁波吸收系数约为0.02 db/m.因此判定采面中部电磁波吸收系数较高区域为陷落柱发育区。

2.2 震波CT探测

11号煤层顶底板泥岩、砂岩等密度介于2.2～2.8 g/cm3，横波及纵波波速分别为1.6～2.8 m/s、3.0～4.8 m/s；而煤层密度及横波、纵波波速均较低，具体密度范围为1.0～1.5 g/cm3，横波及纵波波速分别为0.9～1.4 m/ms、1.8～2.4 m/ms，且波阻抗差异较大，可满足震波CT探测条件。

在81105综采工作面运输巷及回风巷内靠近陷落柱位置分别布置震源炮点(间隔10 m)、检波点(间隔10 m)，通过CT成像系统对接收到的地震波数据进行分析，以便确定探测范围内地质异常体(陷落柱)分布范围、形态及位置。地震仪型号为GeoPen-SE2404NTm，具体探测成果如图3所示，从图中看出，在探测区中部位置有高纵波波速分布区(波速范围3.4～5.5 m/ms)，探测区域内煤层正常纵波波速范围内1.8～3.0 m/ms，该高纵波波速区即为陷落柱发育区。

图3 震波CT探测成果图

采用坑透、震源CT确定的陷落柱边缘稍微有些差异，但是主体位置一致，两种物探结果叠加重叠区为陷落柱分布区，确定的陷落柱范围明显小于地面三维地震确定的陷落柱范围，具体结果如图4所示。

图4 综合物探确定陷落柱范围

2.3 三维电法探测

11号煤层为高电阻地层，煤层顶底板泥砂岩、泥岩等均为低电阻地层。煤层对顶板、底板内存在的电场有一定的排斥作用，将电极布置在底板中则可反映底板岩层导电性分布情况。陷落柱正常情况下裂隙发育，与围岩间有明显的电性差异，表现出高电阻率特征；当陷落柱内部含水时则表现低电阻率特征。因此可通过三维电法对陷落柱延伸分布情况进行探测并确定是否具备含水性(导水性)。

在81105综采工作面内采用WBD型三维电法探测仪，在靠近陷落柱的回风巷内按照5 m间距向沿顶板布置电极，在运输巷内布置供电电极，对探测范围内进行电法穿透探测。将获取到的探测数据结合三维电阻率层析成像反演，从而得到采面煤层顶板内三维电阻率分布图像。结合采面现有资料，即可得到采面顶板地质异常体分布范围及含水性。具体煤层顶板三维电法反演结果如图5所示。从探测结果看出，陷落柱在煤层顶板影响范围有所增大，陷落柱内部视电阻率较高(分布范围介于50～150 Ω·m之间)，而正常情况下岩体视电阻率介于10～50 Ω·m之间，表明探测深度范围内陷落柱不含水。

图5 三维电法探测成果图

为确定陷落柱导水性并对物探成果进行验证，在81105综采工作面回采巷道靠近陷落柱的位置布置钻孔，对陷落柱发育位置以及导水性进行探测。具体钻孔布置参数见表1.施工的探测钻孔在物探确定边界揭露陷落柱，且钻进至陷落柱内时未出现涌水情况。取样发现，陷落柱内充填物为泥岩、粉砂岩等，内部岩体破碎。探测确定的陷落柱发育范围与物探方式基本一致。由于陷落柱分布范围较大，为降低陷落柱对生产的影响，采面采用跳采方式过该陷落柱，并依据物探及钻探确定陷落柱位置，将新切眼布置在距离陷落柱边缘10 m位置，相对于原设计位置(距离陷落柱边缘50 m)可增加40 m回采距离，可在一定程度提升采面煤炭生产效益。

表1 探测钻孔施工参数

3 结 语

1) 陷落柱发育区内裂隙发育，陷落柱与煤岩体间在电阻率及波速等方面有明显差异，因此可通过坑透、震波CT透视方法确定采面开采范围内陷落柱发育位置。

2) 陷落柱与周边煤岩体间有明显的电阻率差异，陷落柱具备导水性(含水)时视电阻会偏低；而不含水时，由于内部裂隙发育，视电阻会偏高。采用三维电法探测技术对陷落柱内部含水情况进行探测，发现探测范围内陷落柱内部视电阻率介于50～150 Ω·m之间，明显高于一般煤岩体视电阻率(10～50 Ω·m)，从而判定陷落柱内部不含水。

3) 采用钻探方式对陷落柱进行探测，钻探确定的边界与物探确定边界基本一致，且未探测陷落柱内部含水，表明现场采用的综合物探技术结果可信度较高。