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★科技与工程★

井下综合物探技术探测隐伏小煤窑采掘范围研究

江微娜1,2 雷凯丽1,2

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市九龙坡区,400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆市沙坪坝区,400039)

摘 要 小煤窑肆意采掘形成杂乱无序的采空区,对煤矿采掘工作面形成重大安全隐患。为了达到准确探测的目标和靶向性治理,探讨了矿井瞬变电磁法、四极测深法和矿井地质雷达法的基本原理,分析了存在隐伏小煤窑采掘情况时地层的地球物理响应特征,提出了3种物探方法相结合的井下综合物探技术,对团柏煤矿2个隐伏小煤窑井筒及采掘范围进行探测研究,并对探测结果进行了分析解释并得到钻探验证。应用表明,利用井下综合物探技术有效地探测了隐伏小煤窑井筒位置及其采掘范围,达到了对隐伏小煤窑采掘范围的多方法佐证、高精度综合探测效果,为后期针对性地治理小煤窑采空区提供可靠的技术保障。

关键词 矿井瞬变电磁法 四极测深法 矿井地质雷达法 隐伏小煤窑 采掘范围

煤炭资源长期以来一直是我国的主要能源,由于历史原因,我国不少大型煤炭生产基地周边都存在着小煤窑的肆意破坏,这些小煤窑大多没有采掘图纸、滥挖乱采,形成许多富含水、瓦斯甚至是火灾的隐伏采空区,且采空区杂乱而无规律可循,极易引发难以预测的地质灾害,给大型煤矿的安全生产带来严重隐患和巨大经济损失,因此亟待采用先进的、综合的物探技术手段来查明小煤窑的采掘范围[1]。为此,在总结小煤窑采空区地球物理探测的技术现状及小煤窑采掘范围地层的地球物理特征的同时,结合以往探测经验和一些成功实例,采用矿井瞬变电磁法、四极测深法及矿井地质雷达法3种物探方法来精确探测小煤窑的采掘范围及采空区内的积水状况,为煤矿的安全掘进和回采提供可靠资料[1-6]

1 井下综合物探技术原理

1.1 矿井瞬变电磁法探测原理

矿井瞬变电磁法的探测原理跟地面瞬变电磁法的原理类似,但是由于井下巷道截面积有限,因此探测时采用的发射线框一般为2 m×2 m的多匝回线,收发同框形成重叠回线,有效探测深度跟仪器的功率有关,一般可以测到100 m左右。矿井瞬变电磁法感应电流是在以回线平面为中心的两侧全空间范围内扩散,反映的地层信息也是全空间的,其扩散规律形成的“烟圈效应”[1]如图1所示。接收到的场强携带所能探测范围的全部地层电性特征,视电阻率用于表征全空间的电性特征,其计算公式为[1,7]

(1)

式中:B——表征井地关系的比例系数;

C——全空间响应系数;

S——接收回线的面积,m2

s——发射回线的面积,m2

N——接收回线的线圈匝数,匝;

n——发射回线的线圈匝数,匝;

t——二次场的衰减时间,s;

——归一化的二次场感应电位,V。

1.2 井下四极测深法探测原理

井下四极测深装置的工作原理如图2所示。给装置的A、B电极供电后,在巷道周围全空间范围内形成一个电流场,大部分电流集中在ACB半球内流通。逐渐增大A、B电极间的距离到A1B1和A2B2,电流会集中到更大的半球体A1C1B1和A2C2B2内。以此类推,逐渐增大供电电极A、B的距离,而保持测量电极M、N不动,电流的分布范围就会更广更深。随着供电电极A、B之间的距离逐渐增大,可以测到不同深度的ρs值,这就反映了测点处从浅部到一定深度范围内岩层的电性变化情况[2,4,8-9]

图1 矿井瞬变电磁法“烟圈效应”

图2 四极测深法工作原理示意图

1.3 矿井地质雷达探测原理

地质雷达法是一种利用电磁波反射来探测地质构造的无损探测方法,通常采用高频或特高频波段的电磁波通过发射天线向岩层发射,当遇到介电常数、电导率有差异的地质异常体或地层界面时,接收到的反射波通过放大、滤波、叠加等一系列后期处理,形成时间剖面成果图[3]。根据介电常数εr可以将走时转换成探测深度r,其中转换需要的电磁波传播速度为,其中c表示电磁波在空气中的传播速度,一般在实际探测工作中介电常数难以确定,故雷达波的传播速度需要根据经验获得或者根据已知目标深度求取[3,10-11]。其探测原理见图3。

图3 地质雷达探测原理示意图

2 地球物理响应特征

由于小煤窑采掘后形成采空区使得煤岩层的连续性遭到不同程度的破坏,从而造成煤岩层的电性特征在横向和纵向上均发生变化。当小煤窑井筒及采掘巷道不含水时,电性特征表现为视电阻率值相对较高;当小煤窑井筒及采掘巷道潮湿或含有微量水时,电性特征表现为视电阻率值相对较低;当小煤窑井筒及采掘巷道充满水时,电性特征表现为视电阻率值更低。此外,如果小煤窑采掘巷道不含水但是有导电性材料存在时,电性特征也会表现为视电阻率值较低[1,4-5,7]。因此,通过探测小煤窑及采掘巷道煤岩层的视电阻率值及其变化规律,可以查明小煤窑采掘范围及其富水特征。

矿井瞬变电磁法、四极测深法和矿井地质雷达法组成的井下综合物探技术是探测煤岩层电性特征的差异性变化的[1-3]。小煤窑采掘范围包括井筒和已采掘巷道,均在煤系地层进行,而煤系地层呈层状分布,横向电性分布均一,如果碰到小煤窑采掘活动形成的采空区时,矿井瞬变电磁法和四极测深法探测资料会出现电性差异的异常反应,矿井地质雷达法会在异常区域形成走时变化特征,但由于异常区填充物质对电磁波有不同程度的吸收,这样可以查明不良地质体[10-11]

3 工程应用

团柏煤矿10-303工作面布置在10#煤层,位于太原组下段,上距9#煤层1.36 m,煤层厚度为1.85~1.95 m,平均1.90 m,结构简单—中等,不含夹矸,厚度有一定变化,煤层稳定,赋存区可采。煤层顶板为泥岩,底板为铝质泥岩。工作面回采可能受到2个小煤窑采掘范围的影响,根据实际走访调查得知,7号小煤窑见2#煤层,8号小煤窑见11#煤层,8号小煤窑立井用水泥框堵但均未严格封闭,井筒分别距10-303(1)巷口140 m、108 m左右。如果7号小煤窑只掘进到2#煤层,那么理论上不会导通2#煤层采空区积水。但是为了更好地确定小煤窑采掘范围,决定对7号和8号小煤窑的采掘范围进行探测。

3.1 探测方案

矿井瞬变电磁探测在三采区胶带巷右侧帮和三采区轨道巷的两侧帮进行,测线均布置在给定的7号小煤窑和8号小煤窑可能位置为中心的两边各100 m,布置测线长度各为205 m,测点间距为5 m,探测方向垂直于侧帮。

四极测深法探测在三采区轨道巷右侧帮进行,测线起始点布置在给定的7号小煤窑可能位置为中心两边各90 m,共布置测线长度为180 m,从外向内沿底板探测。

矿井地质雷达探测分别采用50 M天线和100 M天线在三采区胶带巷右侧帮、轨道巷两侧帮给定的7号小煤窑和8号小煤窑可能位置为中心,两边各探测50 m,布置3条测线。

3.2 地质成果及解释

3.2.1 矿井瞬变电磁探测成果及解释

三采区轨道巷两侧帮瞬变电磁探测视电阻率断面图见图4。从图4中左侧帮可以看出7号小煤窑附近的视电阻率值相对较高,判断为不含水,但不能确定小煤窑是否采掘到10#煤层;从图4中右侧帮可以看出8号小煤窑附近的视电阻率值为中等偏低,判断为含水,但不能确定小煤窑是否采掘到10#煤层或以下。

图4 三采区轨道巷两侧帮瞬变电磁探测视电阻率断面图

3.2.2 四极测深法探测地质成果及解释

探测深度0~40 m的四极测深探测视电阻率断面图见图5。从图5中可以看出桩号0~110 m范围内视电阻率值较高,判断为不含水,说明7号小煤窑不含水;桩号110~180 m范围内视电阻率值为中等偏低,判断为弱含水,说明8号小煤窑含水或弱含水,也可能是由于受到巷道带电设备的影响所致,此种情况下判断为不含水,但不能确定小煤窑是否采掘到10#煤层或以下。

图5 四极测深探测视电阻率断面图

3.2.3 矿井地质雷达探测地质成果及解释

采用100 M和50 M雷达天线矿井地质雷达探测成果图见图6。图6(a)为采用100 M雷达天线从轨道巷沿左侧帮探测7号小煤窑成果图,从探测结果图上分析发现了给定的7号小煤窑,位置处于前期预测的地点,7号小煤窑井筒距离侧帮约14~18 m,说明7号小煤窑很可能掘进到10#煤层。在给定的小窑井筒两侧还存在2处较为明显的异常,推断为小陷落柱或小窑采掘巷道的异常区,其中左侧异常区距离7号小煤窑位置(探测中心位置)约15~35 m,距离侧帮约13~18 m;右侧异常区距离7号小煤窑位置(探测中心位置)约15~40 m,距离侧帮约12~18 m。

图6(b)为采用50 M天线从轨道巷沿左侧帮探测8号小煤窑成果图。探测过程中,在测线25 m 处巷道有个较大的硐室,在图中反应明显。从探测结果图上分析,发现了给定的8号小煤窑,位置处于前期预测的地点,8号小煤窑井筒距离侧帮约26~30 m,说明8号小煤窑也可能掘进到10#煤层。除了在小窑井筒附近,其他探测区域很少有类似空腔、陷落柱等形态的雷达波反应,说明8号小煤窑在10#煤层中采掘范围较小,主要集中在井筒20 m范围内。

图6 矿井地质雷达探测成果图

3.3 地质验证

因三采区10-303工作面回采直接受到这2个小煤窑的影响,所以在回采前必须对2个小煤窑的采掘范围及采空区充水情况进行确认,方可确保回采生产工作安全。结合井下综合物探成果,在每个小煤窑可能的采掘范围各布设3个钻孔进行验证,结果显示7号小煤窑已经掘到10#煤层,小窑井筒位置就是采掘工程平面图上所示位置,距离轨道巷14~20 m,不含水,小窑在10#煤层存在采掘巷道延伸,从井筒位置向东西两侧平行3条大巷延伸约50 m范围;8号小煤窑已经掘进到10#煤层,小窑井筒位置就是采掘工程平面图上所示位置,距离轨道巷26~30 m,显示含水,但是在10#煤层中的采掘活动范围较小,集中在井筒20 m范围内,其他区域未发现采掘活动。

4 结论

井下综合物探技术相互佐证,综合判断分析,在小煤窑采掘范围、采空区探测中具有明显的地质效果,达到了高精度、全方位、立体化、多效用的探测目的,结合已有的地质资料,为小煤窑采掘范围和采空区分布及充水性确定提供真实可靠的资料。

工程应用采用井下综合物探技术对小煤窑的采掘范围进行了探测,并且通过钻孔验证小煤窑井筒的位置及采掘的大致范围,与井下综合物探技术探测结果吻合较好。实践表明,由于物探方法存在多解性,而且电磁类方法在井下不可避免会受到电磁干扰的影响,因此采用综合物探技术可以互相验证,增加探测结果的准确率,再结合地质、水文及钻探等方面资料进行综合分析和解释,探测效果会更理想。

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Research on concealed small mines mining range detection by underground integrated geophysical exploration technology

Jiang Weina1,2, Lei Kaili1,2

(1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo, Chongqing 400037, China;2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Shapingba, Chongqing 400039, China)

Abstract Small coal mines' irregular mining formed many disordered goafs, and the goafs were significant potential safety hazards for coal mining faces.In order to achieve the goal of accurate detection and the governance of targeting, the basic principles of mine transient electromagnetic method, quadrupole sounding method and mine geological radar method were discussed, the geophysical response characteristics of strata were analyzed when there were hidden small coal mines, and the underground comprehensive geophysical exploration technology concluding three geophysical exploration methods was proposed and used to detect the shaft and mining range of two hidden small coal mines in Tuanbai Coal Mine, and the detection results were analyzed, interpreted and verified by drilling.The application showed that the underground comprehensive geophysical prospecting technology could effectively detect the shaft position and mining range of the concealed small coal mines, achieve the multi-method corroboration and high-precision comprehensive detection effect on the mining range of the concealed small coal mines, which providing reliable technical guarantee for the targeted treatment of goafs of small coal mines.

Key words mine transient electromagnetic method, quadrupole sounding method, mine geological penetrating radar method, concealed small coal mine, mining range

中图分类号 TD631

文献标识码 A

基金项目:国家“十三五”重大科技专项基金(2016ZX05045004-007)

引用格式:江微娜,雷凯丽.井下综合物探技术探测隐伏小煤窑采掘范围研究[J].中国煤炭,2020,46(3):95-99.

Jiang Weina, Lei Kaili.Research on concealed small mines mining range detection by underground integrated geophysical exploration technology[J].China Coal, 2020, 46(3):95-99.

作者简介:江微娜(1987-),女,黑龙江鸡西人,硕士,工程师,从事物探方面的研究工作。E-mail:jiangweina1987@163.com。

(责任编辑 郭东芝)