郭長明

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)，山西 介休 032000)

陷落柱是華北地區(qū)煤炭開采時(shí)常遇見的地質(zhì)構(gòu)造，雖然多數(shù)揭露的陷落柱不具備導(dǎo)水性，但也有部分礦井誤揭陷落柱導(dǎo)致突水事故，造成較大的安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，對采面開采范圍內(nèi)可能存在的陷落柱進(jìn)行探測，根據(jù)探測結(jié)果及早制定應(yīng)對預(yù)案，對提升采面煤炭生產(chǎn)效率具有顯著的促進(jìn)作用[3]。對于可能存在陷落柱的采面，需要精準(zhǔn)探測陷落柱的發(fā)育位置、確定導(dǎo)水性及含水性，以便評(píng)價(jià)陷落柱對煤層回采的影響[4-7]。物探具備探測范圍廣泛、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下應(yīng)用較為廣泛[8]。為此，文章就采用綜合探測技術(shù)對山西某礦81105綜采工作面開采范圍內(nèi)的陷落進(jìn)行探測，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

81105綜采工作面位于8采區(qū)，回采11號(hào)煤層，煤層均厚4.75 m，賦存穩(wěn)定，是礦井主采煤層。81105綜采工作面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)長度1 550 m、采面寬度240 m，根據(jù)地面三維地震探測資料顯示，在81105綜采工作面開采范圍內(nèi)存在陷落柱，大致確定的陷落柱在采面內(nèi)的發(fā)育位置如圖1所示。

圖1 陷落柱在采面內(nèi)發(fā)育位置示意

為更好地確定采面內(nèi)陷落柱的發(fā)育位置，采用物探及鉆探相結(jié)合的方式確定具體陷落柱位置，并提出采用跳采方式過該陷落柱。新切眼距離陷落柱邊緣為50 m.81105綜采工作面回采巷道采用坑透、三維電法技術(shù)對陷落柱發(fā)育位置進(jìn)行探測，并通過鉆探方式驗(yàn)證陷落柱發(fā)育及導(dǎo)水性。探測結(jié)果為新切眼位置確定提供了指導(dǎo)。

2 陷落柱綜合探測

2.1 采面坑透

81105綜采工作面開采范圍11號(hào)煤層頂?shù)装鍨榉€(wěn)定的泥巖、砂巖，電阻率較低；回采的11號(hào)煤層電阻率較高，電磁波沿著11號(hào)煤層傳播方向較遠(yuǎn)。當(dāng)采面內(nèi)電磁波遇到陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，電磁波能量損失嚴(yán)重，在接收端接收到微弱信號(hào)或者接收不到信號(hào)，因此可通過坑透方式確定采面內(nèi)陷落柱發(fā)育位置。81105綜采工作面采用的坑透設(shè)備型號(hào)為WKT-6型，發(fā)射頻率為0.365 MHz，在采面運(yùn)輸巷內(nèi)發(fā)射無線電波并在回風(fēng)巷內(nèi)布置接收機(jī)逐點(diǎn)接收電磁波場強(qiáng)，發(fā)射點(diǎn)及接收點(diǎn)間距分別為25 m、5 m.具體采面坑透成果，如圖2所示。

圖2 采面坑透成果圖

從圖2看出，在探測范圍中部位置，電磁波吸收系數(shù)較高(數(shù)值普遍高于0.034 db/m)，而在正常煤層段內(nèi)電磁波吸收系數(shù)約為0.02 db/m.因此判定采面中部電磁波吸收系數(shù)較高區(qū)域?yàn)橄萋渲l(fā)育區(qū)。

2.2 震波CT探測

11號(hào)煤層頂?shù)装迥鄮r、砂巖等密度介于2.2～2.8 g/cm3，橫波及縱波波速分別為1.6～2.8 m/s、3.0～4.8 m/s；而煤層密度及橫波、縱波波速均較低，具體密度范圍為1.0～1.5 g/cm3，橫波及縱波波速分別為0.9～1.4 m/ms、1.8～2.4 m/ms，且波阻抗差異較大，可滿足震波CT探測條件。

在81105綜采工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷內(nèi)靠近陷落柱位置分別布置震源炮點(diǎn)(間隔10 m)、檢波點(diǎn)(間隔10 m)，通過CT成像系統(tǒng)對接收到的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便確定探測范圍內(nèi)地質(zhì)異常體(陷落柱)分布范圍、形態(tài)及位置。地震儀型號(hào)為GeoPen-SE2404NTm，具體探測成果如圖3所示，從圖中看出，在探測區(qū)中部位置有高縱波波速分布區(qū)(波速范圍3.4～5.5 m/ms)，探測區(qū)域內(nèi)煤層正?？v波波速范圍內(nèi)1.8～3.0 m/ms，該高縱波波速區(qū)即為陷落柱發(fā)育區(qū)。

圖3 震波CT探測成果圖

采用坑透、震源CT確定的陷落柱邊緣稍微有些差異，但是主體位置一致，兩種物探結(jié)果疊加重疊區(qū)為陷落柱分布區(qū)，確定的陷落柱范圍明顯小于地面三維地震確定的陷落柱范圍，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 綜合物探確定陷落柱范圍

2.3 三維電法探測

11號(hào)煤層為高電阻地層，煤層頂?shù)装迥嗌皫r、泥巖等均為低電阻地層。煤層對頂板、底板內(nèi)存在的電場有一定的排斥作用，將電極布置在底板中則可反映底板巖層導(dǎo)電性分布情況。陷落柱正常情況下裂隙發(fā)育，與圍巖間有明顯的電性差異，表現(xiàn)出高電阻率特征；當(dāng)陷落柱內(nèi)部含水時(shí)則表現(xiàn)低電阻率特征。因此可通過三維電法對陷落柱延伸分布情況進(jìn)行探測并確定是否具備含水性(導(dǎo)水性)。

在81105綜采工作面內(nèi)采用WBD型三維電法探測儀，在靠近陷落柱的回風(fēng)巷內(nèi)按照5 m間距向沿頂板布置電極，在運(yùn)輸巷內(nèi)布置供電電極，對探測范圍內(nèi)進(jìn)行電法穿透探測。將獲取到的探測數(shù)據(jù)結(jié)合三維電阻率層析成像反演，從而得到采面煤層頂板內(nèi)三維電阻率分布圖像。結(jié)合采面現(xiàn)有資料，即可得到采面頂板地質(zhì)異常體分布范圍及含水性。具體煤層頂板三維電法反演結(jié)果如圖5所示。從探測結(jié)果看出，陷落柱在煤層頂板影響范圍有所增大，陷落柱內(nèi)部視電阻率較高(分布范圍介于50～150 Ω·m之間)，而正常情況下巖體視電阻率介于10～50 Ω·m之間，表明探測深度范圍內(nèi)陷落柱不含水。

圖5 三維電法探測成果圖

為確定陷落柱導(dǎo)水性并對物探成果進(jìn)行驗(yàn)證，在81105綜采工作面回采巷道靠近陷落柱的位置布置鉆孔，對陷落柱發(fā)育位置以及導(dǎo)水性進(jìn)行探測。具體鉆孔布置參數(shù)見表1.施工的探測鉆孔在物探確定邊界揭露陷落柱，且鉆進(jìn)至陷落柱內(nèi)時(shí)未出現(xiàn)涌水情況。取樣發(fā)現(xiàn)，陷落柱內(nèi)充填物為泥巖、粉砂巖等，內(nèi)部巖體破碎。探測確定的陷落柱發(fā)育范圍與物探方式基本一致。由于陷落柱分布范圍較大，為降低陷落柱對生產(chǎn)的影響，采面采用跳采方式過該陷落柱，并依據(jù)物探及鉆探確定陷落柱位置，將新切眼布置在距離陷落柱邊緣10 m位置，相對于原設(shè)計(jì)位置(距離陷落柱邊緣50 m)可增加40 m回采距離，可在一定程度提升采面煤炭生產(chǎn)效益。

表1 探測鉆孔施工參數(shù)

3 結(jié) 語

1) 陷落柱發(fā)育區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，陷落柱與煤巖體間在電阻率及波速等方面有明顯差異，因此可通過坑透、震波CT透視方法確定采面開采范圍內(nèi)陷落柱發(fā)育位置。

2) 陷落柱與周邊煤巖體間有明顯的電阻率差異，陷落柱具備導(dǎo)水性(含水)時(shí)視電阻會(huì)偏低；而不含水時(shí)，由于內(nèi)部裂隙發(fā)育，視電阻會(huì)偏高。采用三維電法探測技術(shù)對陷落柱內(nèi)部含水情況進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)探測范圍內(nèi)陷落柱內(nèi)部視電阻率介于50～150 Ω·m之間，明顯高于一般煤巖體視電阻率(10～50 Ω·m)，從而判定陷落柱內(nèi)部不含水。

3) 采用鉆探方式對陷落柱進(jìn)行探測，鉆探確定的邊界與物探確定邊界基本一致，且未探測陷落柱內(nèi)部含水，表明現(xiàn)場采用的綜合物探技術(shù)結(jié)果可信度較高。