综合物探技术在马兰矿探查隐伏陷落柱中的应用

张 陆

(山西焦煤 西山煤电集团马兰矿, 山西 古交 030200)

煤矿陷落柱作为一种较复杂的地质构造,其成因是该区域下部为石灰岩,并且岩溶较为发育,在重力作用下,覆岩向下塌陷而形成[1]. 陷落柱多数不导水,但是陷落柱只要导水,就容易引发大的突水事故[2].所以在工作面回采时,应重视对工作面内部隐伏陷落柱的探查[3].

马兰矿18502工作面回采过程中,在对疑似陷落柱S91钻探控制过程中,出现部分钻孔有涌水现象。为掌握18502工作面内部地质构造发育情况及工作面内S91陷落柱的富水情况,利用地球物理勘探技术对该工作面进行探测。

因为陷落柱一般充填煤层顶底板破碎岩石,其地震波速度、密度与煤层存在较大的差异,其接触面为波阻抗界面,这为槽波勘探提供了地球物理前提[4]. 而选用一种勘探方法并不能获得疑似陷落柱较为准确的水文地质资料[5],所以该次探测同时选用音频电透视技术对S91陷落柱的富水性进行评价;运用槽波地震勘探技术查明18502工作面内落差大于煤层厚度1/2的已揭露及隐伏断层延展发育情况及直径大于20 m隐伏陷落柱的展布情况;通过音频电透视技术及槽波地震勘探技术的结果进行综合分析,获得更为精准、全面的地质信息[6].

1 实际工程

1.1 工程概况

勘探区开采煤层为太原组下部的8号煤层,顶板是石灰岩,底板是细砂岩;与围岩相比,煤层具有速度低、密度小的特点,在地质剖面中,煤层是一个典型的低速夹层,煤层顶底板岩层界面均是高波阻抗,具有槽波形成的条件[7].

1.2 现场施工布置

该次槽波勘探范围为切眼后退1 150 m;音频电透视范围为：18502辅运巷F02-L3号点前51.7 m至F02-10号点前34.2 m,即35#—65#标记点(推断陷落柱S91前后共计300 m). 18502工作面槽波、电透勘探范围见图1.

图1 18502工作面槽波、电透勘探范围图

2 槽波地震勘探技术

2.1 槽波地震勘探技术原理

在含煤地层中,煤层与围岩间的界面一般呈现良好的反射面。相比于顶底板围岩,含煤地层由于其低速度、低密度的特点,通常以低波阻抗出现。通过采用槽波地震勘探技术,以震源为中心激发的P波及S波,以球面体波形式向四周传播,并以不同方向的入射角至顶底板界面[8].在煤层中,地震波受到煤层影响以低速自内向外进行扩散传播。地震波在煤层传播过程中,上行、下行波相互干涉、迭加。只满足一定条件的各种谐波,在槽内相互干涉而形成垂直于煤层面的驻波,在煤层内不断向前传播,这就形成了槽波,也称煤层波[9].槽波的形成原理示意图见图2.

图2 槽波的形成原理示意图

2.2 槽波地震勘探试验

槽波地震勘探所选用的观测系统为槽波透射观测系统,即一条巷道发射,同时在对面巷道接收,之后发射与接收巷道交换,重复探测。18502工作面槽波勘探炮点及检波点布置见图3.

图3 18502工作面槽波勘探炮点及检波点布置示意图(辅运巷放炮、皮带巷接收)

2.3 槽波地震勘探技术物探异常分析

从槽波传播规律可知,拉夫型槽波传播受制于煤层,其传播路径与煤层的起伏一致,煤层的横向均一性对槽波的干涉、速度、能量均有调制作用。当工作面内煤层岩性单一、稳定时,槽波能够穿透大部分工作面,且由于在煤层传播过程中速度慢,穿透工作面时能量衰减小,衰减速率慢,可以较好地进行观察并应用于异常体的识别。18502工作面槽波勘探能衰减系数成果图见图4. 图4中浅色区域代表衰减系数大,深色区域代表衰减系数小。该次槽波透视共圈定18处能量衰减系数高值异常区,异常区编号标识为：CF1#—CF17#及CX1#.

图4 18502工作面槽波勘探能衰减系数成果图

综合槽波透视能量衰减情况、相关地质资料、现场实际揭露情况等,对各个异常区范围做出物探异常地质评价：异常区CF1#、CF2#、CF3#、CF5#、CF7#、CF8#、CF9#、CF10#、CF11#可能为小于1/2煤厚的断层影响范围,对回采影响较小。CF12#靠近巷帮部分为大于1/2煤厚的断层影响范围,由于此范围靠近切眼位置中部,为整个槽波探测数据量最少的区域,因此靠近切眼中部位置可能存在其他构造。划定范围为工作面外部已揭露断层的延伸范围,对回采有一定影响。CF13#—CF17#为多条断层综合反映区,地质情况相对较复杂,对回采有一定的影响。CX1#推测为S91陷落柱范围以及陷落柱外部影响顶底板异常范围,对回采影响较大。

3 矿井音频电透视技术

3.1 矿井音频电透视技术原理

矿井音频电透视技术是基于地下各种岩石之间的导电性差异性,通过人工场源改变矿井原有的电场分布情况,并通过观察分析人工场源影响下电场的分布规律,结合已有的地质资料获得所需要的地质信息[10].

从广义上来讲,矿井音频电透视技术仍属矿井直流电法。因为现场施工工艺、资料的后处理及探测范围为采煤工作面内部富水性异常,与一般矿井直流电法存在差异性,而形成了特定的一个分支[11].音频电透视技术原理示意图见图5.

图5 音频电透视技术原理示意图

3.2 矿井音频电透视技术探测结果及解释

当地下岩性比较均匀时,在相同的电场下某区域所得视电导率数值越高,则证明该区域的导电性越好,越可能存在地质异常。根据现场所得到的数据,确定岩层电性异常区域,经处理后得到：在10～20 m层位,视复电导率在9.8～14.2 S/m,平均值为11.77 S/m,标准偏差为0.48 S/m,该层位异常阈值为11.93 S/m;20～40 m层位,视复电导率在18.08～23.98 S/m,平均值为20.04 S/m,标准偏差为0.61 S/m, 该层位异常阈值为20.24 S/m;40～70 m层位,视复电导率在11.78～20.87 S/m,平均值为14.14 S/m,标准偏差为0.81 S/m,该层位异常阈值为14.41 S/m;70～100 m层位,视复电导率在9.85～19.68 S/m,平均值为14.03 S/m,标准偏差为0.84 S/m,该层位异常阈值为14.31 S/m;100～125 m层位,视复电导率在10.25～21.9 S/m,平均值为13.33 S/m,标准偏差为0.99 S/m,该层位异常阈值为13.66 S/m.

3.3 矿井音频电透视技术异常分析

按照异常阈值标准,对比分析各层段的视复电导率分布特征,确定18502工作面底板0～20 m、70～100 m、100～125 m整体电导率相对较高,且在平面图中标记为DT1#、DT2#、DT7#、DT8#、DT9#、DT10#、DT11#、DT14#位置电导率相尤为明显提高。

音频电透视勘探结果反映工作面底板不同深度共计存在14个视复电导率较高区域,经分析确定：

1) 70～100 m和100～125 m电导率拟断面图综合判断,较多区域电导率值高于阈值,表现为相对低阻、高电导,且相对均一连续,同时,结合地质情况可知,底板下78 m后为有奥灰发育区段相对应,故推断勘探范围内底板奥灰整体存在富水性,且在平面图中标记为DT9#、 DT10#、DT11#、DT12#、 DT13#、DT14#位置富水性尤为明显。

2) 结合DT1#、DT5#,主要发育在工作面中段,位于工作面退尺440～545 m. 浅层电性异常集中、幅度大,随深度递减,异常幅度降低,推测该异常区段8煤底板地测裂隙发育,少量富水,综合分析此范围内可能为陷落柱导致周边的岩性发生了明显变化而形成的,存在弱富水性。

3) DT3#、DT4#、DT6#发育范围均较小,区域内视复电导率大于阈值,分析判定该区因断层等构造发育,导致岩层裂隙相对发育。

综合各个深度的探测结果综合分析,得出一个电透异常区为DTY1#异常区,见图6.

图6 18502工作面音频电透视成果图

4 综合物探结果分析

通过综合物探所得的资料处理,结合现场实际和已知的地质资料,进行综合分析后得出结论,18502工作面综合物探成果图见图7.

图7 18502工作面综合物探成果图

槽波地震勘探技术对地质构造异常区域有明显反应,圈定地质构造异常区18处,编号为CF1#—CF17#及CX1#;音频电透视技术得出一个电透异常区为DTY1#异常区。

5 钻探验证情况

通过钻探验证工作,探明了工作面内无落差大于5 m的断层;控制了工作面内落差大于1 m断层的延伸情况,工作面内部所有断层均不含水(落差小于1 m断层控制效果相对较差);控制了由2号煤工程揭露控制的S91陷落柱,预计长轴×短轴=38 m×34 m(槽波勘探控制陷落柱长轴×短轴=62 m×40 m,根据钻探验证分析为陷落柱边缘煤岩层裂隙发育及倾角异常变化影响所致),钻孔揭露时有涌水现象,已自然疏干;工作面掘进时于皮带巷里程1 201 m揭露S164陷落柱,后经切眼外部钻探控制验证,分析该陷落柱和S72陷落柱在8号煤层合并为一个,预计长轴×短轴=137 m×61 m,不含水;根据钻探资料分析,X2三维勘探陷落柱范围未见异常情况,分析为小型隐伏构造发育影响所致。工作面内部S91陷落柱存在一定含导水性情况,需进行注浆治理加固底板,治理验收合格后,工作面可以正常回采。

6 结 论

1) 单一的勘探形式,很难完整掌握岩层的地质信息,而现在综合物探成为当前的一种主流形式。综合运用多种探测手段,结合多种技术的优势,突破单一物探手段的局限性,更加全面地、准确地获得完整的现场地质信息。

2) 通过槽波地震勘探技术能够查明工作面内落差大于1/2煤厚的已揭露及隐伏断层延展发育情况以及直径大于20 m隐伏陷落柱的展布情况,圈定地质构造异常区18处,推断陷落柱异常区1处,推断落差在1/2煤厚以上的断层异常区4处。采用音频电透视技术对S91陷落柱的富水性进行了评价,得出电透异常区1处。

3) 综合物探结束后,利用钻探验证手段可以有效控制工作面内构造的发育情况,有效指导工作面安全回采。

4) 今后综合物探技术的发展,将进一步结合各种勘探技术的优点,发挥各技术的优势,获得更加完整、准确的地质信息,为煤矿的安全生产提供更高效的保障。