音頻電透視在煤層底板富水性預(yù)測中的應(yīng)用

胡永達(dá)

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，安徽合肥230009；2. 安徽省淮北市煤炭 局，安徽淮北235000)

摘要： 音頻電透視技術(shù)是礦井防治水工作的主要物探手段之一，利用音頻電透視的基本原理 及底板局部富水體對點(diǎn)源場的電位影響特征，對淮北劉東煤礦工作面煤層底板富水異常區(qū)進(jìn) 行了探測，確定了不同深度范圍內(nèi)巖層視電導(dǎo)率的分布特征及富水性，為煤礦底板防治水工 程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：音頻電透視；電導(dǎo)率；富水性

中圖分類號：TD166文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A[WT]文章編號：16721098(2008)02001504

Application of Audiofrequency Electric Clairvoyance in Forecast of Coal SeamFloor Water Abundance

HU Yongda1,2

(1. School of Management, Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,Chin a;2. Huaibei Coal Industry Bureau,Huaibei Anhui 235000,China) Abstract: Audiofrequency electric clairvoyance technology is one of the primarygeophysical methods in coal mine water disaster prevention. Based on the primar y principle of audiofrequency electric clairvoyance and the characteristic ofs eam floor partial abundance water influence on electric potential of point sourc e field, abnormal water abundance regions in coal seam floor of Liudong Coal Min e, Huaibei Mining Group Company were detected, and electrical conductivity distr ibution characteristic and water abundance in different depth of strata were det ermined, which provides a basis for floor water control project design in coal m ines.

Key words:audiofrequency electric clairvoyance; electrica l conductivity; water abundance

隨著煤炭開采深度不斷增大，礦井地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜，突水強(qiáng)度和突水頻率也在 增加，在皖北地區(qū)10煤層底板水害給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。因此，探 測煤層底板富水性異常區(qū)分布，對底板水的防治具有重要意義。礦井音頻電透視技術(shù)是目前 應(yīng)用較廣泛的物探技術(shù)之一［25］，音頻電透視儀有較強(qiáng)的抗干擾能力。本文以 新光集團(tuán)淮 北劉東煤礦為例，利用音頻電透視技術(shù)探測10煤層底板富水異常區(qū)，為煤層底板水的防治提 供依據(jù)。

1地質(zhì)條件

劉東煤礦61005工作面為該礦目前的最深部水平，位于土樓背斜的東北端，工作面東至 北六軌道下山保護(hù)煤柱線，西至F64斷層，上至61003運(yùn)輸巷道，下至61005工作面運(yùn) 輸巷道工作面，其軌道巷標(biāo)高-566.50 m，上方61003工作面開采已結(jié)束。受區(qū) 域構(gòu)造的影響，工作面斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，所揭露斷層大多數(shù)為傾向正斷層，落差在3~5 m之間。地層產(chǎn)狀變化比較大，由東到西地層傾角呈現(xiàn)增大趨勢，地層走向在220 °~345°之間。根據(jù)相鄰煤礦10煤層開采情況，在工作面開采深度范圍內(nèi)，正常地帶底板 太灰水對工作面安 全開采不會造成太大的影響，但如受到斷裂構(gòu)造的影響，10煤層底板的完整性遭到破壞，開 采將會受到底板灰?guī)r承壓水的威脅。

根據(jù)鉆孔資料以及井下巷道實(shí)測資料揭露，10煤層距下部太原組第一層灰?guī)r40~50 m，其巖性主要由粉砂巖、細(xì)砂巖、海相泥巖組成，其中太原組第一層灰?guī)r直接頂板海相 泥巖 平均厚度為9~11 m，電性特征橫向上較均一。如底板發(fā)生破裂，其導(dǎo)電性發(fā)生 異常，尤其當(dāng)破碎帶含水時(shí)，其導(dǎo)電性增強(qiáng)，相當(dāng)于地下存在局部低電阻率地質(zhì)體。

2方法原理[JP1]礦井音頻電透視法是利用穿過采煤工作面的許多電力線(由供電點(diǎn)到測量點(diǎn))的電位降 數(shù)據(jù)來重建采煤工作面電性變化圖像，以巖石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，人工向地下供入音頻電 流，觀察大地電場的分布規(guī)律，從而確定巖體物性分布規(guī)律及地質(zhì)構(gòu)造特征。其特點(diǎn)是音頻 信號穿透能力強(qiáng)，測量精度高，可以抵抗軌道及礦車運(yùn)行引起的強(qiáng)直流電干擾。[JP]2.1全空間電場模型及點(diǎn)源場的分布

與地面電法不同的是：礦井音頻電透視法以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)。

對于均勻全空間，點(diǎn)電源產(chǎn)生的電場分布特征，可用如下關(guān)系式表達(dá)

點(diǎn)M到點(diǎn)電 源A的距離, m。

10煤層與其頂、底板（一般為砂巖、粉砂巖、泥巖互層）具有明顯的電性差異(見表1) 。而煤層相對其頂、底板為高阻層，可用圖1所示的三層地電模型來模擬上述電性組合特征 。

表1煤系地層常見巖石電阻率值

巖名煤泥巖砂巖石灰?guī)r礦井水電阻率/(Ω?m)[]10～104[]1～50[]1～105[]60～4×2.2局部富水體對點(diǎn)源場的電位影響

對于井下局部富水地質(zhì)體的附加場［6］(見圖2c)，可用導(dǎo)電球來說明,即電流場中導(dǎo) 體的異?？梢越频乜醋麟娕紭O子的異常。其表達(dá)式為

則低阻良導(dǎo)體產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電位，如圖2a所示。

對于井下近似三層地電模型來說，其點(diǎn)源場電位表達(dá)式為

式中:玌0為無局部地質(zhì)體時(shí)的電位分布，mV；玌n為局部地質(zhì)體的異常場,mV。

根據(jù)式（5）和式（10）可以看出異常曲線（玌/U0）是以點(diǎn)源A與地質(zhì)體連線的延線 為對稱軸的軸對稱曲線(見圖2b)。異常幅度、寬度與異常體的大小、異常體與圍巖的電性 差異及距收發(fā)面的距離等有關(guān)。異常體規(guī)模越大,與圍巖的 電性差異越大、距收(發(fā))面距離越小，異常幅度就越大；反之則越小。圖2a為底板下存在 含水體與不含局部水體兩種條件下電位測量曲線的比較示意圖。

圖2電位異常反映特征示意圖3施工方法及工程布置

工作方法采用單極偶極形式， 即A—MN—B (∞)，A、B為供電電極，用于向巖層供 電， M、N為測量電極，MN位于同一巷道，垂直于巷道走向布設(shè)，A極位于另一巷道中，B極處于無 窮遠(yuǎn)處(見圖3)。

軸向單極—偶極法井下電透視測量方 式

圖3礦井音頻電透視施工布置圖

物探施工前先進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)，61005工作面運(yùn)巷、風(fēng)巷與北六運(yùn)輸下山交叉口處為起點(diǎn)即0#點(diǎn) ，分別在運(yùn)輸大巷及風(fēng)巷， 以10 m為點(diǎn)距進(jìn)行編號。 點(diǎn)號分別為(0～15點(diǎn))、(0～14點(diǎn))， 共計(jì)31個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。

測網(wǎng)密度為：供電點(diǎn)的間距為50 m，接收點(diǎn)距10 m，針對每個(gè)供電 點(diǎn)，在另一巷道與之對稱點(diǎn)附近一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收。

為了探測工作面底板下不同深度的水文地質(zhì)條件，礦井音頻電透視施工時(shí)采用獸=400 Hz、獸=15 Hz兩個(gè)頻點(diǎn)依次測試。礦井音頻電透視實(shí)際完成總供 電點(diǎn)8個(gè)、接收點(diǎn)124個(gè)。

4探測結(jié)果及分析

4.1視電導(dǎo)率值分布特征

工作面底部30 m深度附近巖層的視電導(dǎo)率值在1～20 s間變化 。根據(jù)鄰礦實(shí)測驗(yàn)證，異常門檻值定為6 s，其中電性異常區(qū)有4處，分別為 異常條帶Ⅰ～Ⅳ(見圖4)。

圖430 m范圍內(nèi)巖層探測成果圖

工作面底部45 m深度附近巖層的視電導(dǎo)率值在1～20 s間變化。異 常門檻值定為8 s，其中電性異常區(qū)有4處，分別為異常條帶Ⅰ～Ⅳ(見圖5)。

圖545 m范圍內(nèi)巖層探測成果圖

從兩個(gè)不同深度界面附近的異常位置比較可得出：30 m深度中心界面比45 m深度中心界面的異常幅度值低，范圍也小， 四處異常條帶在兩平面上都有不同程 度的反映。其中Ⅰ和Ⅲ 在兩水平面上大小、 強(qiáng)弱相當(dāng)； Ⅱ和Ⅳ在45 m深度 中心界面比30 m深度中心界面的異常范圍大，但幅值相當(dāng)。

從30 m和45 m兩個(gè)深度的電透視探測工作比較可看出：兩個(gè)深度電 透視工作探測的異常條帶位置基本一致，但視電導(dǎo)率值有明顯差異，范圍差異也較大。

4.2底板富水性分析

61005工作面10煤層底板下30 m及45 m深度中心界面反映的地層情 況為：① 30 m 深度中心界面主要反映了10煤底板下的砂巖為主的地層的視電導(dǎo)率值橫向分布特征；② 45m深度中心界面主要反映了10煤底板下的海相泥巖至太原組一灰為主的地層的視 電導(dǎo)率值橫向分布特征。

根據(jù)異常條帶Ⅰ和Ⅳ在兩水平面上大小、強(qiáng)弱相當(dāng)，分析認(rèn)為該兩處物性異常為底板砂巖 層裂隙相對富水所致。而異常條帶Ⅱ和Ⅳ的分布與工作面斷裂帶發(fā)育方向基 本一致，底板海相泥巖及一灰裂隙相對富水所致。由于山西組底部海相泥巖及粉砂巖巖體強(qiáng) 度相對較低，受構(gòu)造應(yīng)力作用更易發(fā)生破裂，且該巖層與下部太原組灰?guī)r含水層直接接觸， 易得到太灰水的補(bǔ)給，因此富水異常區(qū)10煤層底板突水系數(shù)增加。

5結(jié)束語

探測結(jié)果反映61005工作面10煤層底板富水性具有明顯的不均一性。兩個(gè)水平的富水異 常條帶位置基本一致，富水異常區(qū)主要為10煤層底板巖石構(gòu)造破裂區(qū)。

在工作面富水異常區(qū)10煤層底板突水系數(shù)增加，應(yīng)加強(qiáng)對富水異常區(qū)的底板注漿工作。 注漿一方面可以封堵太灰含水層與10煤層底板海相泥巖及砂巖富水異常區(qū)的連通；另一方面 可以提高底板強(qiáng)度，降低底板突水系數(shù)，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：宋曉梅)