盧 儉 王洪民

1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830027）

隨著國家煤炭資源整合政策的實(shí)施，神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦上部的原曙光村煤礦被迫關(guān)閉，原有礦井技術(shù)人員整合入烏東煤礦。原曙光村煤礦生產(chǎn)混亂，其老舊采空區(qū)位置與原開采的空間范圍尚不確定。當(dāng)前神新能源公司烏東煤礦+600m水平南、北掘進(jìn)巷位于原曙光村煤礦老舊采空區(qū)范圍正下方，采場圍巖極易貫通工作面上方的原有老舊采空區(qū)，形成供氧通道，那么，原有老舊采空區(qū)內(nèi)遺留煤體就會發(fā)生自燃，且采空區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體與老窯積水也會通過豐富的裂隙網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)有采場空間，這將給烏東煤礦生產(chǎn)安全造成重大隱患。因而為了探明烏東煤礦+600m 水平現(xiàn)有開采水平上方老舊采空區(qū)的位置情況，需采用先進(jìn)的探測設(shè)備進(jìn)行探測，以確保礦井安全高效生產(chǎn)。

1 現(xiàn)場探測方案設(shè)計(jì)

1.1 探測設(shè)備的選取

現(xiàn)場一般通過鉆探的手段對位置區(qū)域進(jìn)行探測，但探測手段單一，實(shí)施過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且只能對特定區(qū)域、地點(diǎn)進(jìn)行探測，而對兩個(gè)特定測點(diǎn)之間的未知區(qū)域是否存在安全隱患卻無能為力。探地雷達(dá)技術(shù)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1 MHz-1GHz）電磁技術(shù)，高頻短脈沖電磁波為地質(zhì)雷達(dá)所發(fā)射的主要類型電磁波，由一體化主機(jī)、發(fā)射部分、接收部分及配套軟件等組成，以電磁波的傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，以分析電磁場分布及電磁波在老舊采空區(qū)中傳播規(guī)律為理論。當(dāng)電磁波在巖體介質(zhì)傳播中遇到異性物質(zhì) （如老舊采空區(qū)）時(shí)，雷達(dá)探測圖像會因探測巖體的電性差異而產(chǎn)生反射波，被監(jiān)測設(shè)備接收。通過分析探地雷達(dá)上探測圖像的同相軸畸變特征用于推斷探地雷達(dá)探測目標(biāo)對象的波形旅行時(shí)間等數(shù)據(jù)，計(jì)算探測物理目標(biāo)體所在的位置。

當(dāng)老舊采空區(qū)中巖體介質(zhì)中的電荷充電具有有限響應(yīng)時(shí)間時(shí)，其對外部慢速的變化體現(xiàn)出似穩(wěn)特征，而對外部快速的場變化體現(xiàn)出自由運(yùn)動特征。依據(jù)能量損耗和能量存儲的相對強(qiáng)度大小，波場呈現(xiàn)出凋落和波動特性。因而地質(zhì)雷達(dá)的采用能很好地完成對原曙光村煤礦老舊采空區(qū)的實(shí)時(shí)連續(xù)性探測工作。故選用SIR-20高速地質(zhì)雷達(dá)光譜地磁探測技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行探測。

1.2 探測設(shè)備位置的確定

為了使探測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，更貼近現(xiàn)場的真實(shí)情況，根據(jù)烏東礦提供的地質(zhì)資料，優(yōu)化確定了基于地質(zhì)雷達(dá)的老舊采空區(qū)探測實(shí)施區(qū)域。烏東煤礦+600m 水平東冀45＃煤層工作面位于副斜井筒東側(cè)，煤層傾角45°。曙光村煤礦已對該急傾斜煤層淺部資源進(jìn)行了回采，其開采邊界位于烏東煤礦東翼走向2650～2850m 之間，因此，確定對原曙光村煤礦老舊采空區(qū)正下方+600m 水平45＃煤層?xùn)|翼南巷2650～2850m 范圍進(jìn)行2次探測，探測深度為35m。選取探測天線的角度分別為30°和45°，具體探測方案的布置如圖1所示。

2 探測結(jié)果分析

2.1 30°雷達(dá)測角結(jié)果

探測天線角度為30°時(shí)，南巷地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果見圖2。圖2 （a）雷達(dá)線掃描圖為南巷走向2750～2800m 范圍，矩形圈定的位置為垂直測程40～260ns，主要呈現(xiàn)出明顯的層狀分布特點(diǎn)，電磁波同相軸連續(xù)，未出現(xiàn)明顯的起伏；橢圓圈定的位置為垂直測程280～380ns（巷道上方2.5～4.0 m 范圍），電磁波同相軸相位出現(xiàn)異常，出現(xiàn)明顯的起伏甚至不連續(xù)，確定該區(qū)域?yàn)樘綔y異常區(qū)域。結(jié)合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，判定在走向2750～2800m 范圍內(nèi)距巷道上方2.5～4.0m 范圍內(nèi)煤巖體內(nèi)部破碎嚴(yán)重，存在老舊采空區(qū)。

圖1 SIR-20高速地質(zhì)雷達(dá)探測設(shè)計(jì)圖

圖2 測角為30°的探測結(jié)果

圖2 （b）雷達(dá)線掃描圖為南巷2800～2850m范圍的探測結(jié)果。矩形圈定的位置為垂直測程30～240ns，圖像出現(xiàn)波浪形突變，未見清晰的條帶分層，且圖像主色調(diào)發(fā)生變化；電磁波同相軸出現(xiàn)起伏，整體交替分布顯著，表明該區(qū)域未出現(xiàn)較為明顯的地質(zhì)異常區(qū)域。橢圓圈定的位置為垂直測程260～360ns（巷道上方2.5～3.5 m 范圍），電磁波同相軸呈現(xiàn)零亂狀、突變明顯，并存在波形呈疊加狀的趨勢，判定該區(qū)域?yàn)樘綔y異常區(qū)域。通過預(yù)先留設(shè)的導(dǎo)水孔，探明該區(qū)域出現(xiàn)異常是由于煤體內(nèi)所富存的水體。疏導(dǎo)水過程中最大排水量達(dá)10.2m3／h。

2.2 45°雷達(dá)測角結(jié)果

探測天線角度為45°時(shí)，南巷地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果見圖3。圖3 （a）雷達(dá)線掃描圖為南巷走向2785～2765m 范圍，矩形圈定的位置為垂直測程60～250ns，測程內(nèi)圖像呈現(xiàn)較為清晰的條帶狀交替分層特點(diǎn)，未見地質(zhì)異常區(qū)域；橢圓圈定的位置為垂直測程300～400ns（巷道上方2.1～2.8m 范圍），測程內(nèi)圖像由層狀向散狀分布過渡，電磁波同相軸相位出現(xiàn)異常，出現(xiàn)明顯的起伏甚至不連續(xù)并出現(xiàn)部分波形疊加，確定該區(qū)域?yàn)樘綔y異常區(qū)域。結(jié)合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，分析認(rèn)為巷道上方2.1～2.8m、南巷走向2785～2765m 范圍煤巖體破碎嚴(yán)重，為老舊采空區(qū)。

圖3 （b）雷達(dá)線掃描圖為南巷2750～2700m范圍的探測結(jié)果。矩形圈定的位置為垂直測程40～180ns，測程范圍內(nèi)探測圖像為同層狀分布特征顯著，電磁波同相軸偏轉(zhuǎn)量增大，但未見顯著的突變現(xiàn)象，由此表明此區(qū)域未出現(xiàn)異常，巖層完整，但巖層相對介電常數(shù)增大，導(dǎo)致同相軸偏轉(zhuǎn)量發(fā)生變化；橢圓圈定的位置為垂直測程240～300ns（巷道上方1.4～2.0 m 范圍），測程內(nèi)圖像突變，反射波信號比較密集，頻率較高，波形能量激增，由層狀向散狀分布過渡，表明該區(qū)域存在相對介電常數(shù)突增的介質(zhì)材料，且電磁波同相軸相位出現(xiàn)異常，出現(xiàn)明顯的起伏甚至不連續(xù)，并出現(xiàn)部分波形疊加，確定該區(qū)域?yàn)樘綔y異常區(qū)域且所含介質(zhì)材料相對介電常數(shù)顯著大于周邊巖層。通過預(yù)先留設(shè)的導(dǎo)水孔，探明該區(qū)域出現(xiàn)異常是由于煤體內(nèi)所富存的水體，且?guī)r體破裂顯著，裂隙發(fā)育較明顯。

圖3 （c）雷達(dá)線掃描圖為南巷2680～2650m 范圍的探測結(jié)果。矩形圈定的位置為垂直測程60～200ns，測程段圖像呈現(xiàn)較明顯的高能波浪形分層，電磁波同相軸偏轉(zhuǎn)量增大，但未見顯著的突變現(xiàn)象，由此表明此區(qū)域未出現(xiàn)異常，巖層完整，但巖層相對介電常數(shù)增大，導(dǎo)致同相軸偏轉(zhuǎn)量發(fā)生變化；橢圓圈定的位置為垂直測程240～280ns（巷道上方1.4～1.7 m 范圍），圖像有一條低能率層狀條帶，測程段內(nèi)電磁波同相軸偏轉(zhuǎn)且波形異常交錯(cuò)分布，波形零亂，界面不連續(xù)，存在地質(zhì)異常區(qū)域。結(jié)合鉆探所獲取的鉆孔巖性信息，分析認(rèn)為在走向2680～2650m 范圍內(nèi)距巷道上方1.4～1.7m 內(nèi)為老舊采空區(qū)，煤巖體破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育明顯。

圖3 測角為45°的探測結(jié)果

3 結(jié)論

（1）南巷30°測角探測結(jié)果表明：在走向2750～2780m 范圍內(nèi)距巷道上方2.5～4.0m 范圍內(nèi)煤體破碎嚴(yán)重，存在老舊采空區(qū)；在走向2800～2850m 距巷道上方約2.5～3.5m 范圍內(nèi)的煤層含水量較為豐富。

（2）南巷45°測角探測結(jié)果表明：走向2785～2765m 范圍距巷道上方約2.1～2.8m 處煤巖體破碎嚴(yán)重，為老舊采空區(qū)；在走向2750～2700m 距巷道上方1.4～2.0m 范圍內(nèi)出現(xiàn)異常是由于煤體內(nèi)所富存的水體，且?guī)r體破裂顯著，裂隙發(fā)育較明顯；在走向2680～2650m 距巷道上方1.4～1.7m范圍內(nèi)為老舊采空區(qū)，煤巖體 破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育明顯。

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