任菲菲

（山西沁和能源集團九鑫煤業(yè)有限公司，山西晉城048000）

1 概述

煤礦陷落柱是煤田地區(qū)下伏石灰?guī)r中巖溶發(fā)育，同時在其自重作用下，覆巖不斷向下塌陷而形成的堆積物[1-3]，其富水特征因地而異，長期以來，陷落柱一直威脅著我國煤礦安全生產，同時影響煤礦安全高效發(fā)展[4-6]。

陷落柱是一個比較復雜的地質構造，它的形成多與灰?guī)r有關，其內部多為松散且成分比較復雜。正常的底層沉積層序被打亂，陷落柱與周圍煤巖層在特征上存在著重大差別[7]。

目前，對于煤礦陷落柱的探測主要以物探技術為主。王赟[8]采用地震的繞線波特征進行了分析，利用斷陷點對陷落柱進行識別；吳守華[9]等采用地震剖面的歸納與總結，得出不同條件下的地震響應特征，并成功識別陷落柱；楊武洋[10]采用電磁法對煤礦陷落柱進行了探測，通過不同的電阻率分析不同區(qū)域的富水特征。

以上眾多學者采用不同的物探技術對陷落柱的特性進行了研究。物探技術存在較多不足，且沒有相關的鉆探進行驗證，探測結果存在一定的不足，探測準確性大大降低，給煤礦安全帶來威脅。根據礦井防治水細則，應物探先行、鉆探驗證的方針進行。因此，基于以上問題。本文霍州煤電某礦為試驗礦井，采用多種物探技術對礦井井下工作面陷落柱進行綜合探測，并根據鉆探對物探進行驗證，為煤礦安全生產提供技術支持。

2 工程面及儀器

2.1 工作面情況

山西焦煤集團有限責任公司霍州煤電集團公司某煤礦6102工作面全長550m,工作面寬度為105m，工作面煤層傾角為7°。煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度9.82m為單一穩(wěn)定煤層，在工作面巷道機開切眼掘進過程中，沒有揭露地質構造異常區(qū)域。但在距離工作面75～85m區(qū)域內，工作面煤層一幫有水流，經過一段時間后，工作面巷道頂板出現大量的淋水，淋水量較大，可達出水量為4～6m3/h。為了保證工作面的安全生產，決定對異常區(qū)域進行綜合物探，采用瞬變電磁和無線電波透視技術對異常區(qū)域進行探測分析，并對物探區(qū)域進行鉆探驗證。

2.2 儀器

2.2.1 瞬變電磁技術

瞬變電磁技術是一種利用電磁原理來探測地質異常區(qū)的一種方法，它在測試中不需要連接相關的線路或者其他接地線的形式向被探測區(qū)域發(fā)射一次脈沖磁場。當進行一次脈沖磁場后，在脈沖磁場的間歇階段會形成二次感應渦流場，利用形成的這種渦流場能夠探測巖層的電阻率變化特征，利用不同的電阻率變化特征來判定被探測介質的構造特性。瞬變電磁技術探測原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁探測原理圖

在一次脈沖磁場間歇階段形成的渦流場與被探測介質的電阻率特性密切相關，同時，對于相同巖性的電阻率其值也是不同的，巖層的完整性越好其電阻率越高，巖層的完整性越差其電阻率越低。對于巖層形成的電阻率值較高的區(qū)域其渦流場反而較弱，而電阻率較低的區(qū)域其渦流場反而較強。通過探測得出的渦流場的情況綜合分析被探測介質的電阻率情況，通過得出的電阻率變化特征分析被探測介質的巖性、含水特征、構造特性等相關特征。

本次試驗為了更加準確地探測構造情況采用加拿大公司GEONICS研發(fā)的新型的PROTEM+TEM-47瞬變電磁儀器，該儀器具有抗干擾能力強、探測精度非常高、受環(huán)境影響小的優(yōu)點。

2.2.2 無線電波透視技術

無線電波透視技術也是一種利用電磁波探測構造的一種方法。該方法是通過儀器發(fā)射電磁波，電磁波在被探測介質中進行傳播，傳播的過程中會發(fā)生電磁波能量的衰減，遇到不同的巖性及構造其能量衰減是不同的，因而在介質中傳播其能量存在著較大的變化，在工作面的兩條巷道中放置發(fā)射儀器和接收器，覆蓋整個工作面進行CT掃描，在介質傳播過程中能量衰減變化異常的區(qū)域會形成明顯陰影區(qū)，通過分析能量異常陰影區(qū)的特點，分析異常區(qū)的范圍及富水特性。無線電波透視技術其探測結構如圖2所示。

圖2 電磁波透視法工作原理

3 工作面陷落柱探測研究

3.1 無線電波透視技術研究

無線電波透視技術采用12～18次定點覆蓋測量的方法，接收點距離為10m，發(fā)射點距離為20～60m，發(fā)射頻率為0.6MHz。從接收信號可知，在6102工作面迎頭處存在一個異常區(qū)。衰減值在-14～-39dB之間，圖3為定點觀測強度曲線。

圖3 6102工作面無線電波透視法場強曲線

由圖3可知，圖3（a）中曲線呈“V”字型，圖3（b）呈“半坡”型，其中“V”字型曲線主要是由接收點信號受異常區(qū)吸收所致，而“半坡”型曲線說明其只有一側的接收信號受到影響。圖3（c）為平常的近似理論值曲線，說明無異常區(qū)域，圖3（d）曲線呈近似“小V”型，且其強度值較低，經分析主要是由于發(fā)射點和接收點輻射范圍內低電阻率異常體所致，綜合以上分析知，該異常體位于近機巷區(qū)域，采用曲線分析法和成像技術得出圖像解釋結果，即在61021巷距迎頭75～105m范圍內，煤層中大約20m處存在陷落柱異常體，后經相應處理，目前6102工作面已回采完畢，回采揭露表明，在6102工作面61021巷迎頭上幫大約20m處存在一個陷落柱。

從6102工作面陷落柱無線電波透視資料分析可知，中心衰減值在-32～-39dB之間,在陷落柱周圈,異常區(qū)幅度呈遞減趨勢，衰減值在-14～-32dB之間。因6102工作面陷落柱位于工作面中間，兩巷均有較好的探測條件。從無線電波透視場強曲線上表現出“半坡”型、“V”字，曲線的多樣性是由于接收點與發(fā)射點跟陷落柱之間空間位置的變化所致，遠離陷落柱呈“V”字型等，近陷落柱呈近似理論探測曲線。

3.2 瞬變電磁探測技術研究

瞬變電磁技術探測的測點布置在工作面61021巷和61022巷之間的工作面切眼處，采用2×2m重合回線，測點探測方向示意圖如圖4所示，探測結果處理等值線如圖5所示。

圖4 探測方向示意圖

圖5 探測數據圖

由圖5數據圖可知：勘探體為拱形體。瞬變電磁為全空間響應，其實際勘探體積是以回線為對稱的拱形，在探測前期，探測深度較淺，是因為近距離電性瞬變響應，隨著探測深度的不斷延伸，探測面積逐漸擴大，電性變化率高，在探測數據圖上，距離開切眼水平距離52m左右，發(fā)育深度為20m（45～65m之間）的低電阻率區(qū)。

4 鉆探驗證

根據物探成果圖，在工作面布置了三個驗證鉆孔，3#鉆孔在鉆進37m和58m處分別出水4m3/h和22m3/h，2#鉆孔在鉆進42m處涌水量為8.6m3/h，1#鉆孔從18.9～38.7m有水涌出，最大為26.8m3/h，同時在無線電波透視異常（陰影）區(qū)，陷落柱在工作面回采過程中已被揭露證實，且由鉆孔出水情況可推算出陷落柱附近存在富水區(qū)，綜上可知物探結果還是比較可靠的，對工作面安全開采具有指導意義。

5 結論

（1）根據無線電波透視數據分析結果，得出在61021巷距迎頭75～105m范圍內，煤層中大約20m處存在一個陷落柱異常體。

（2）根據瞬變電磁數據分析結果，得出距離開切眼水平距離52m左右，發(fā)育深度為20m（45～65m之間）的低電阻率區(qū)。

（3）鉆探結果證實了物探結果的準確性，為工作面安全回采提供了依據。