职称论文
摘要：为了降低陷落柱对采区安全生产的影响，需要对陷落柱的发育位置及影响范围进行精准探测。通过对云冈矿地质特征及陷落柱特征的分析，采用瞬变电磁法和无线电波透视法探测陷落柱。结果表明：在瞬变电磁法中，陷落柱的视电阻率呈近似不规则四边形，其阻值一般比正常的岩体高；在无线电波透视法中，陷落柱的场强一般呈V字型，出现异常区域的形状类似矩形。
关键词：陷落柱； 精准物探； 瞬变电磁法； 无线电波透视法；
Abstract:To make an accurate prospecting of development position and impact range of subsided column, the author proposes the transient electromagnetic method and the radio wave penetration method by analysis of geological and subsided column characteristics, in which the approximate trapezium apparent resistivity of subsided column is shown with higher resistance than normal rock body in transient electromagnetic method, and the V-shaped field intensity is shown with approximate rectangle in abnormal area in radio wave penetration method.
Keyword:subsided column; accurate geophysical prospecting; transient electromagnetic method; radio wave penetration method;
在煤矿的开采过程中，经常会出现采区陷落柱地质异常体，煤层的稳定性被破坏，也使正常工作面的布置受影响，给煤矿的安全生产带来重大隐患。云岗矿西南区段构造复杂，12-2号煤层的81003工作面位于煤层的南部，工作面呈南高北低的趋势，工作面标高为+996~+1 016 m,地面标高为+1 240~+1 308 m.由于对工作面内陷落柱的位置及影响范围难以准确把握，因此，需对采区的陷落柱位置及影响范围等进行探测。由于通常使用的三维地震探测的方法会出现错报、漏报的现象，进而提出综合采用瞬变电磁法和无线电波透视法，提高探测的准确性。
1 采区陷落柱特征
12-2号煤层上距11号煤层12 m,下距12-1号煤层5 m,煤层厚度为2~13.83 m,平均煤层厚度6.08 m,煤层中含有2层夹石，平均夹石厚度为0.15 m,煤层倾角一般为3°~5°[1],煤层直接顶板是中细砂岩，老顶有一层粉细砂岩，水平层理发育，以长石和石英为主，局部夹深灰色泥岩，煤层顶底板见表1.井田内水源主要来自十里河，流域面积有1 185 km2,为第四系孔隙水和砂岩裂隙水，单位涌水量为0.06 L/s.m.渗透系数0.066 m/d,由于陷落柱结构复杂，导致正常的地层被破坏，从而使得陷落柱与其他正常煤层之间存在差异[2].根据陷落柱地表特征，如果沉积地层在纵向按照一定的规律变化，在横向上比较均匀，则是正常的沉积地层；如果沉积地层出现垮塌，说明可能有陷落柱的存在，导致该地层及周围地层产生变化。根据陷落柱井下特征，在形态上一般是不规则的锥状，也有可能是柱状；在水平切向呈直径不同的椭圆和扁圆，与周围的围岩界域明显，且呈不规则的锯齿形。在陷落柱内有大量岩粉、煤粉和粘土，使得充填物的胶结程度差，严重的会导致整个煤层被破坏。
表1 煤层柱状图
2 探测方案设计
2.1 瞬变电磁法方案设计
根据煤岩层的导电性和导磁性的不同，当煤层内有陷落柱时，如果出现高视电阻率，则陷落柱不导水；如果出现低视电阻率，则陷落柱导水[3].因此采用瞬变电磁超前探测法探测时，在允许的作业条件下，设计横向探测方向，在正前方设置2个探测点，在左帮和右帮每间隔15°设置一个探测点，两帮各6个，见图1;设计纵向探测角度，给每一个探测方向的探测点都设置与顶板呈45°方向、与底板呈45°方向、以及在探测点正前方三个角度，见图2.对横向14个探测点各设置3个纵向探测角度，得到42个测点数据。根据现场的情况，对探测方向和角度进行适当调整，使探测结果更准确。
图1 横向探测方向
图2 纵向探测角度
2.2 无线电波透视方案设计
不同煤岩层有不同的电性特征，对无线电磁波的吸收能力也不相同。在无线电磁波传输过程中，遇到异常界面时，会造成能耗的损失[4].当巷道有陷落柱时，无线电磁波的能量会大大降低，导致接收巷道接收不到电磁波信号，或接收到的电磁波信号比较弱。因此采用无线电波透视法探测时，要选择两条巷道，采取的方式是双发双收，其中一条巷道用来发射，一条巷道用来接收；然后再将发射接收巷道调换，见图3.在81003工作面巷道先发射，共计发射20个点，每个点的间距是40 m,81005工作面巷道先接收340个点，每个点的间距是5 m;然后再在81005工作面巷道发射，共计发射20个点，每个点的间距是40 m,81003工作面巷道再接收340个点，每个点的间距是5 m.
图3 无线电波透视法
3 探测结果分析
3.1 结果分析
云冈矿81003工作面在区域内是单斜构造，发育一些宽缓的小型褶曲，且煤层中有不少的断层和陷落柱。据已采煤层的情况，矿井内发育有陷落柱，分布散乱，没有规律，陷落柱部位的岩体遭到破碎，胶结程度不高。通过采用瞬变电磁法和无线电波透视法相结合，对工作面进行探测。
采用瞬变电磁法，按照上述的方案进行设计施工，得到正前方探测的视电阻率等值线，见图4.其中以左右帮的探测深度为横坐标，分别从断面中心向两帮进行探测，以工作面正前方的探测深度为纵坐标，有效探测深度为120 m.从图4可以看出，在探测深度的有效范围内，大部分区域的视电阻率在20~120Ω·m,而随着探测深度的增加，在距工作面60~95 m,在探测前方60°~90°，出现视电阻率高异常区域，形状类似不规则的四边形，判断是陷落柱，陷落柱影响的范围大约长56°，宽29°。
图4 正前方探测视电阻率等值线
采用无线电波透视法，按照上述的方案进行设计施工，得到巷道的接收场强曲线及吸收系数反演图，见图5.从图5可以看出，在距切眼15~120 m范围内，有一处异常，其位置场强曲线呈V字型，吸收系数较小，场强属于强衰减，判断是陷落柱，但影响的具体范围没法精确测量到。
图5 无线电波透视
3.2 结果验证
在对81003工作面进行综合探测后，分析认为在探测的65 m、与探测方向呈60°，陷落柱长轴56 m,短轴29 m,且陷落柱含有少量的水，在探测位置与陷落柱间可能存在围岩的破碎。在实际的开采中，在掘进到70 m时，发现了陷落柱边缘，且有围岩破碎，与实际情况比较吻合。
4 结语
为精确探测采区陷落柱位置及其影响范围，采用瞬变电磁法和无线电波透视法综合探测方法，得出结论：
1）在瞬变电磁法中，如果显示视电阻率高异常，在无线电波透视法中，如果接收侧巷道接收不到信号或接收信号较弱时，则判断是煤层中有陷落柱，且导水性较差。
2）根据瞬变电磁法实验结果，得出陷落柱区域的视电阻率高于正常岩体的视电阻率，且在等值线图中呈不规则的四边形，探测结果显示在云冈矿81003工作面存在陷落柱，且影响范围大约长56 m,宽29 m.
3）根据无线电波透视法，得出陷落柱区域的吸收系数变化明显，且陷落柱的场强一般呈V字型，出现异常区域的形状类似矩形。
上述综合勘探探测结果，判断的81003工作面陷落柱，经开采证实，较符合实际。
参考文献
[1]白雁斌。断层群、陷落柱附近极近距离煤层工作面的合理布置[J].山东煤炭科技，2019（6）：8-9.
[2]陈晋强。矿井综合物探技术在采煤工作面的研究与应用[J].山东煤炭科技，2018（1）：161-163.
[3]滕娟，李金辉。多种物探方法在探查陷落柱中的综合应用[J].能源与环保，2018,40（6）：139-142.
[4]罗成果。矿井超前探测综合物探方法的研究与应用[D]成都理工大学，2013.