矿井物探技术在探测回采工作面导水陷落柱的应用

矿井物探技术在探测回采工作面导水陷落柱的应用

赵常凤

赵常凤

山东省煤田地质局第一勘探队山东青岛266555

摘要：随着社会的发展，我国的矿产工程的发展也突飞猛进。2009年2月，某煤电集团公司煤矿回采8煤18306工作面时，在距离停采线4m处遇到陷落柱，顶部有空洞，内部有水涌出，并伴有硫化氢、瓦斯气体。为保证矿井安全生产，为后期治理提供地质依据，设计并采用了地质雷达与高密度电法探测相结合的综合物探方法，查明了该陷落柱的空间形态及其导、含水性，并进行了钻探验证。

关键词：矿井物探技术；探测回采工作面；导水陷落柱；应用

引言

采用地质雷达与高密度电法探测相结合的综合物探方法，查明了马兰煤矿18306工作面回采中遇到的陷落柱空间形态及其导、含水性，并进行了钻探验证，结果表明综合物探方法能够较准确地探查陷落柱的基本形态及导、含水特性，有效圈定富水区域，为后期治理提供了地质依据，保证了马兰煤矿18306工作面的安全回采，对类似地质情况下的陷落柱探查具有一定的借鉴意义。

1地质概况

马兰煤矿18306工作面长194m，平均煤厚4.10m，煤层倾角3°～4°，工作面停采线附近有一条走向北东H=1.2m，倾角53°～24°的斜交断层。工作面遇陷落柱处煤层底板标高为891m，奥灰水静水位标高为900m。工作面揭露的陷落柱上部空洞高约1.0m，柱面及充填物为结晶钟乳状方解石晶体，柱体呈接触式钙质胶结。陷落柱顶界在8煤之中，而大量方解石物质的出现说明附近有火成岩体，使得地下水含有大量CaCO3（石灰岩）溶解物。地下水位发生变化，特别是水位下降造成的负压形成陷落柱，水上升到顶部空洞压力减少，岩溶水中大量CaCO3物质沉凝下来而充填裂隙空隙，和陷落柱顶的煤块胶固成白色钟乳石的奇异空洞。

2物探设计与施工

考虑到探测目的涉及构造的形态及富水性，选择了对地质构造探测精度较高的地质雷达和对富水性反映灵敏的高密度电法进行综合探测。

2.1地质雷达探测

地质雷达探测时，利用发射天线定向发射高频短脉冲电磁波，电磁波在介质中传播时遇到存在电性差异的地质构造（如空洞、分界面等）时，会发生反射被接收天线接收。根据接收到的雷达波形、强度、接收时间等参数进行分析，就可以推断地质构造的位置、电性及几何形态，达到探测地下隐蔽目标物的目的。地质雷达在巷道底板向下探测时，根据地质任务及现场条件选用了100Mz天线。在巷道底板布置两条测线，长30m，起点位于79与80号架之间。测线1距离停采线3.5m，测线2距离停采线0.7m，天线间距1m，步距0.25m。

2.2高密度电法探测

高密度电法是一种以地层内岩、土导电性差异为前提的探测方法。探测时将直流电引入地下，随着供电极距的加大，电流场向地下的分布深度也在逐渐加大，目标地质体与围岩的电性差异会被地表的测量电极捕获，由此获得目标体在横向、纵向的电阻率值变化信息。因此通过该方法可以获取电剖面法、电测深法探测所得的地质信息。根据探测目的，井下高密度电法布置了一条测线，电极间距3m，60个电极，长180m左右，采用α排列方法，分析水平和纵向两个方向陷落柱的演变特性。

3煤矿地质探测方法和技术

3.1物探方法

为了防止煤矿开采中出现各种地质灾害引发的问题，并尽量减少各类突发事件的发生，使煤矿企业避免因对地质现象的疏忽造成极大经济损失，从提高矿井开采效率等方面不断改进新技术，使煤矿地质探测的精密度和准确度有更大的提高。从物理场方面对物探方法进行分类，目前在煤矿地质探测领域使用的物探方法主要有地热、电法、放射位、重力、磁法和地震等。从探测的空间方面对物探方法进行有效分类，目前所使用的物探方法主要有矿井物探、测井和地面物探。矿井物物探方法有磁法、地震法、巷道重力法、红外线遥测法、放射性法和电法等。测井方法有热测井、电法测井、磁测井、声波测井、放射性测井等。地面物探方法有电法勘探法、磁法勘探法、地震勘探法、重力勘探法等。

3.2物探技术

矿井物探使用的技术有三维地震叠前偏移处理技术、岩性反演资料处理和解释的物探技术、属性本解释技术和高密度数字三维地震技术。三维地震叠前偏移处理的物探技术，改进了传统物探技术带来的横向分辨率偏高和错误成像的问题，应用该技术可以比较清晰地查看到煤矿矿井周围的地质构造边界情况和小陷落柱的情况。岩性反演资料处理和解释的物探技术，主要用于提高地震剖面的纵向分辨率，以及提高弱反射波的检测性能，从探测结果中准确掌握矿井煤层含水层的富水情况和瓦斯分布情况，为规划和设计矿井开采方案提供科学合理的数据支撑。属性本解释的矿井物探技术，主要使用震动、能量和地震反射波频率等获得三维矿井数据并进行相应的计算和数据分析，获得地震属性数据体的物探技术。该技术具有解释精度高，可快速获取较小的结构剖面图的特点。高密度数字三维地震的矿井物探技术，具有获取矿井地物现象的分辨率高、密度大及覆盖率的特点，应用该技术可以检测到陷落柱的直径分辨率为20m，断层落差的分辨率为大于2m。高密度数字三维地震的矿井物探技术已经被相关工作人员在2.5m落差的复杂山丘地区进行了试验，相关数据已证实了该物探技术的精确性和准确性。

4物探技术在煤矿地质探测中的应用

4.1在防治地质灾害中的应用

物探技术在预防治理矿井地质灾害中的应用主要有：（1）在矿井采矿区对构件机理分析中的应用。煤矿突水事件会影响矿井开采作业的进展，扰乱矿井的正常生产作业，严重的情况下会发生矿井安全事故，造成人员的伤亡等情况。在矿井开采作业时，发生突水事件是不可避免的，为了减少该类事件的发生，可以在矿井开采前应用三维地震勘探法探测矿井煤层顶板砂岩的含水层深度和厚度、煤层的深度和结构变化，根据探测结果可以获悉该矿井的水文地质情况，并制定科学、合理的矿井开采作业方案和方法，提高煤矿矿井开采的安全性和效率性。（2）在等时切片技术中的应用。在等时切片技术中，反射波的同相轴错开的大小反应的是断层断距的大小，水平切片上同相轴的强度反映的是反射波的强度，通过相应技术获得同一时刻相应的地震信息，并分析其层位的关联性，发现小断层分辨能力高于垂直时间剖面。（3）相干体与方差体技术应用。两种技术的工作原理为利用三维技术信息，从而降低缺失小断层的现象。在三维成像过程中，使用数据切片及透视等方法分析断层构造，通过三维成像的方法进行解释，增强敏感性。最后在相干体或方差体上闭合操作，进而对断层空间的分布进行说明。

4.2物探技术在煤矿防治水工作中的应用

通过物探技术的应用情况统计分析发现，其在煤矿防治水工作中的应用主要有：（1）可用于探测老空积水、隔水层厚度、含水层的性质和导水通道等情况，准确率可达到90%以上。（2）通过电磁超前探系统探测150m范围内的含水情况，准确率可达90以上。结语本次探测实例表明，矿井高密度电法与地质雷达综合应用能够较准确地探查陷落柱的基本形态及导、含水特性，有效圈定富水区域，为矿井安全生产提供技术支持。

参考文献：

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