煤矿陷落柱综合物探技术.pdf

2020 年第 9 期2020 年 9 月 煤矿陷落柱是煤田地区下伏石灰岩中岩溶发育，同 时在其自重作用下，覆岩不断向下塌陷而形成的堆积 物[1-3]，其富水特征因地而异，长期以来，陷落柱一直威 胁着中国煤矿的安全生产，同时影响中国煤矿高效快速 发展[4-6]。陷落柱的形成与发育跟奥陶系灰岩发育程度密 切相关，其内部填充成分复杂且松散，底层沉积层序被 打乱，陷落柱与周围煤岩层在特征上存在很大的差别[7]。 目前，对煤矿陷落柱的探测主要以物探技术为主。 王赟等[8]对地震的绕线波特征进行了分析，利用断陷点 对陷落柱进行识别；吴守华等[9]归纳与总结了地震剖面 的相关内容，得出不同条件下的地震响应特征，并成 功识别陷落柱；杨武洋[10]采用电磁法对煤矿陷落柱进行 了探测，通过不同的电阻率分析不同区域的富水特征。 学者们运用综合物探技术对煤矿陷落柱特性进行 了探查，但缺少钻探验证，相应数据有待考究。本文 根据 煤矿防治水规程 中的综合探测原则，以霍州煤 电汾源煤业 A 矿为试验矿井，利用无线电波透视及井下 瞬变电磁技术探测工作面范围内的陷落柱情况，并运用 钻探技术进行验证，为煤矿安全生产提供参考依据。 1工程概况及探测仪器 1.1工程概况 霍州煤电 A 矿 5-101 工作面长 550 m，宽 105 m， 煤层倾角 7毅。煤层赋存稳定，平均厚度 10 m 为单一稳 定煤层，工作面巷道掘进完成后，两巷道及工作面切眼 未揭露含水构造异常。距机巷迎头 40耀60 m 范围内， 煤层上帮有水流出，随后巷道顶板出现大面积淋水，出 水量为 4耀6 m3/h。为了探测工作面构造异常带，采用无 线电波透视法和瞬变电磁法物探技术进行探测，并用 钻探技术进行验证。 1.2探测技术 1.2.1瞬变电磁技术 瞬变电磁技术是利用不连接地回线向被测地质体 发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场发射间隙利用线圈 观测被测地质体引起的二次感应涡流场，从而探测地质 体电阻率的一种方法，具体的探测原理如图 1 所示。 T1，T2，T3.瞬变电磁发射线圈编号。 图 1瞬变电磁探测原理图 二次感应涡流场与被测地质体电性相关。同类型岩 层相比，岩层完整程度与视电阻率值成正比，视电阻率 值高低与涡流场大小成反比。通过对二次涡流场和地下 介质电性的观测，判断地层岩性、赋水性等。 收稿日期2020-05-14 作者简介王俊鹏，1989年生，男，河南原阳人，2014年毕业于河 南理工大学矿业工程专业，硕士，工程师。 煤矿陷落柱综合物探技术 王俊鹏 （ 1. 山西省煤矿节能监测中心，山西 太原 030045；2. 山西煤矿设备安全技术检测中心，山西 太原 030045 ） 摘要 以霍州煤电 A 煤矿为实验矿井，采用瞬变电磁技术和无线电波透视技术对煤层构造进行综合探测，并对物探 结果进行钻探验证。数据结果表明在 5-1011 巷距迎头 75耀105 m 范围内，煤层中大约 20 m 处存在一个陷落柱异常 体；在与开切眼水平距离 52 m 左右，发育深度为 20 m （ 45耀65 m 之间 ） 的低电阻率区。钻探结果证实了物探结果的准 确性，为工作面安全回采提供了依据。 关键词 煤矿；综合物探技术；陷落柱 中图分类号 TD82文献标志码 A文章编号 2095-0802-202009-0121-03 Comprehensive Geophysical Exploration Technology of Collapse Columns in Coal Mines WANG Junpeng 1. Shanxi Coal Mine Economized Detection Center, Taiyuan 030045, Shanxi, China; 2. Shanxi Safety Center for Coal Mine Equipments, Taiyuan 030045, Shanxi, China Abstract Taking A Coal Mine of Huozhou Coal Electricity Group as an experimental mine, transient electromagnetic technology and radio wave perspective technology were used to conduct comprehensive detection of coal seam structure, and drilling verifica- tion on geophysical exploration results were carried out. The results showed that there was a subsided column abnormal body in the coal seam about 20 m in the range of 75-105 m away from the heading of 5-1011 roadway; a low resistivity area with a depth of 20 m 45-65 m was developed at a horizontal distance of about 52 m from the open-off cut. The drilling results confirmed the accuracy of geophysical exploration results and provided the basis for safe mining of working face. Key words coal mine; comprehensive geophysical exploration technology; collapse columns （总第 180 期） 技术研究 T1 T2 T3 观测面 接收线圈 发射线圈 121 2020 年第 9 期2020 年 9 月 1.2.2电磁波透视法 该技术的实现是基于电磁波在不同电阻性煤岩体 中传播时，对电磁波能量的吸收不同，低电阻率岩层 吸收电磁波能量强。在电磁波传播过程中，遇到构造 界面时产生反射和折射，电磁波能量损耗致使电磁波 信号微弱甚至接收不到信号，形成阴影异常区，从而 判断地质情况。电磁波透视法工作原理如图 2 所示。 1，2.发射点编号；0，5，10.接收点编号；浊.强度衰减。 图 2电磁波透视法工作原理 2工作面陷落柱探测研究 2.1无线电波透视技术研究 无线电波透视技术采用 12耀18 次定点覆盖测量的 方法，如图 3 所示，接收点距离为 10 m，发射点距离 为 20耀60 m，发射频率为 0.6 MHz。由接收信号可知， 5-101 工作面迎头处有一个异常区，衰减值在 -39耀-14 dB 之间。图 4 为定点观测强度曲线，图 4 a中曲线呈“V” 字形，图 4 b中曲线呈“半坡”形，其中，“V”字形曲 线主要是由接收点信号受异常区吸收所致，而“半坡” 形曲线说明其只有一侧的接收信号受到影响；图 4 c为 平常的近似理论值曲线，说明无异常区域；图 4 d曲 线呈近似小“V”形，且其强度值较低。经过分析，这 主要是发射点和接收点辐射范围内低电阻率异常体所 致。综上所述，该异常体位于近机巷区域，采用曲线 分析法和成像技术得出图像结果，如图 5 所示。 图 3工作面无线电透视示意图 在 5-1011 巷距迎头 75耀105 m 范围内，煤层中大 约 20 m 处存在陷落柱异常体，后经相应处理，目前 5-101 工作面已回采完毕。回采揭露表明，在 5-101 工 作面 5-1011 巷迎头上帮大约 20 m 处存在一个陷落柱。 由图 4 可知，陷落柱中心衰减值在 -39～-32 dB 之间，在陷落柱周圈，异常区幅度呈递减趋势，衰减 值在 -32～-14 dB 之间。因为 5-101 工作面陷落柱位 于工作面中间，两巷探测条件较好。图 4 曲线上表现出 “半坡”形、“V”字形，曲线的多样性是接收点与发 射点跟陷落柱之间空间位置的变化所致，远离陷落柱 呈“V”字形等，近陷落柱呈近似理论探测曲线。 2.2瞬变电磁探测技术研究 瞬变电磁技术探测的测点布置在工作面 5-1011 巷 与 5-1012 巷之间的工作面切眼处，采用 2 m2 m 重 合回线，测点探测方向如图 6 所示，探测结果处理等值 线如图 7 所示。 由图 7 可知，探测体呈拱形。瞬变电磁为全空间响 应，其实际探测体积呈以回线为对称的拱形，在探测 前期，探测深度较浅，这是因为近距离电性瞬变响应， 随着探测深度的不断延伸，探测面积逐渐扩大，电性 变化率高，在探测数据图上，距离开切眼水平距离 52 m 左右，发育深度为 20 m （ 45耀65 m 之间 ） 的低电 阻率区。 12 0 510 1 2 阴影区 阴影区 浊 b 衰减曲线剖面a 矿井巷道工作布置 05101520 202530354045 风巷 机巷 5 10 15 E.电位差。 图 45-101 工作面无线电波透视法场强曲线 50 40 30 20 10 50 30 10 20242832 接收点号 2426323640 接收点号 a 风巷的1号点发射在机巷接收 的场强曲线 b 风巷的5号点发射在机巷接收 的场强曲线 60 40 20 50 30 10 34384246 接收点号 04812 接收点号 c 风巷的15号点发射在机巷接 收的场强曲线 d 机巷25号点发射在风巷接收 的场强曲线 图 5数据图 05101520 20253035404550 断 60 56 5 10 陷落柱 层 单位m 单位m 122 2020 年第 9 期2020 年 9 月 能源知识 （上接 120 页） 特别指出在进行液压支架选型设计时，必须首 先考虑煤层的开采高度和倾斜角度。研究有望为当代 煤矿大倾角煤层综采过程液压支架提供理论支持。 参考文献 ［1］XIU Z H， NIE W， CHEN D W， et al.Numerical simulation study on the coupling mechanism of composite-source airflow- dust field in a fully mechanized caving face ［J］ .Powder tech- nology， 2019， 35611 443-457. ［2］ 陈国瑜， 何涛， 张敬敏， 等.煤矿水液压支架安全阀复合织构阀 芯润滑性能分析 ［J］ .煤矿机械， 2019， 4011 87-90. ［3］ 张超， 贾清华.激光增材制造技术在煤矿液压支架柱塞上的应 用 ［J］ .煤矿机械， 2019， 4011 147-148. ［4］ 宋昊妍.煤矿液压支架智能推移控制系统的设计 ［J］ .机电工 程技术， 2019， 4810 49-51. ［5］ 任文涛.唐口煤矿矸石充填工作面端头液压支架改造 ［J］ .煤 矿安全， 2019， 5010 115-117. ［6］ 赵德雄.煤矿智能化异构集成开采系统研究 ［J］ .山东煤炭科 技， 20199 190-192. ［7］ 陈明亮， 何涛， 陈国瑜， 等.煤矿水液压支架安全阀阀腔气蚀特 性研究 ［J］ .煤炭工程， 2019， 519 147-151. ［8］ 祝鹏远.煤矿机电设备安装拆除工艺优化研究 ［J］ .内蒙古煤 炭经济， 201917 193. （ 责任编辑高志凤 ） h.巷道深度；d.巷道长度；籽s.电阻率。 图 7探测数据图 3钻探验证 根据物探成果图，在工作面布置了 3 个验证钻孔， 3钻孔在钻进 37 m 和 58 m 处分别出水 4 m3/h 和 22 m3/h；2钻孔在钻进 42 m 处涌水量为 8.6 m3/h；1 钻孔在 18.9耀38.7 m 有水涌出，最大涌水量为 26.8 m3/h， 同时在异常区，陷落柱在工作面回采过程中已被揭露 证实，且由钻孔出水情况可推算出陷落柱附近存在富 水区。综上所述，物探结果准确可靠，为工作面安全 回采提供了依据。 4结语 根据无线电波透视数据分析结果，得出在 5-1011 巷距迎头 75耀105 m 范围内，煤层中大约 20 m 处存在 一个陷落柱异常体。 根据瞬变电磁数据分析结果，得出距离开切眼水 平距离 52 m 左右，发育深度为 20 m （ 45耀65 m 之间 ） 的低电阻率区。 钻探结果证实了物探结果的准确性，为工作面安 全回采提供了依据。 参考文献 ［1］ 傅良魁.电法勘探教程 ［M］ .北京 地质出版社， 1983 103-105. ［2］ 李金铭.地电场与电法勘探 ［M］ .北京 地质出版社， 2005 94- 96. ［3］ 孙建平， 曹福祥.西部缺水地区地下水勘查物探技术方法优化 研究 ［J］ .水文地质与工程地质， 2006， 335 123-124. ［4］ 姬广柱， 周强， 侯国强， 等.综合物探方法在贫水山区找水的实 践 ［J］ .地下水， 2001， 234 208. ［5］ 陈乐寿.构造电法勘探 ［M］ .武汉 中国地质大学出版社， 1991 22-31. ［6］ 贺绍英.国外含水岩石激发极化效应的研究 ［J］ .物探与化探， 19794 41-49. ［7］ 赵楠， 王志豪， 赵吉祥， 等.物探方法在土石坝隐患探测中的应 用 ［J］ .工程勘察， 201410 83-88. ［8］ 王赟， 杨德义， 石昆法.CSAMT 法基本理论及在工程中的应 用 ［J］ .煤炭学报， 2002， 274 383-387. ［9］ 吴守华， 周国兴， 杨素霞， 等.陷落柱地震响应特征分析 ［J］ .煤 田地质与勘探， 2004， 323 52-54. ［10］ 杨武洋.煤矿陷落柱赋水特征的综合物探探查原理与方法 ［J］ . 采矿与安全工程学报， 2013， 301 45-50. （ 责任编辑白洁 ） 巷道顶板 巷道截面 发射回线 巷道底板 探测方向 45毅 图 6探测方向示意图 40 50 60 70 020406080 d/m 籽s/赘 m 王俊鹏 煤矿陷落柱综合物探技术 秸秆煤的市场前景 随着秸秆煤块、颗粒秸秆煤技术和设备的问世， 秸 秆等可燃生物质的转化利用有了最好的途径， 有广阔的 市场前景。 原料遍地都是 农作物秸秆、 树叶、 枯枝、 锯末、 杂草 等一切可燃的生物质， 都可做秸秆煤的原料。 制作秸秆煤的成本低 原料成本几乎为零。秸秆煤 的制作设备投资不大， 操作简便， 农村闲散劳动力经简 单培训可以上岗， 人力成本非常低。 秸秆煤的应用范围广 秸秆煤块、 颗粒秸秆煤使用 方便， 单位家庭都适用； 燃烧效果好， 做饭、 取暖、 洗浴都 需要， 是生物质发电厂的必需品。 123