綜合物探方法在煤礦井下水害防治的應(yīng)用

姚蔚

摘? ?要：貴州某煤礦礦床C15煤層是以直接頂板充水為主，含水層富水區(qū)域會對工作面的回采產(chǎn)生較大的影響。煤層底板為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的茅口灰?guī)r，存在底板突水的威脅，為安全開采C15煤層，減少煤層帶壓開采導(dǎo)致突水事故，因此回采前有必要對某工作面頂、底板（尤其是底板）水文地質(zhì)情況進行有效探查。本文采用綜合物探方法對某礦工作面頂板和底板的水文地質(zhì)條件進行探查，其中礦井高分辨電測深技術(shù)主要用來探查巷道底板的不良地質(zhì)體;音頻電透視技術(shù)主要用于探查煤層工作面內(nèi)部及頂板的不良地質(zhì)體。在某礦井下防治水的應(yīng)用效果表明，綜合物探方法在煤礦井下防治水勘探中效果良好，值得推廣。

關(guān)鍵詞：井下綜合電法? 煤礦防治水? 電測深技術(shù)? 音頻電透視技術(shù)

中圖分類號：TD745? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0046-05

Abstract： The C15 coal seam of a coal mine in guizhou province is mainly filled with water directly on the roof. The coal seam floor is maokou limestone with complex hydrogeological conditions， and there is a threat of water inrush from the floor. In order to safely mine C15 coal seam and reduce water inrush accidents caused by coal seam pressure mining， it is necessary to effectively explore the hydrogeological conditions of the roof and floor （especially the floor） of a certain working face before mining. In this paper， the hydrogeological conditions of the roof and floor of a mining face are explored by using the comprehensive geophysical exploration method， in which the high resolution electrical sounding technology is mainly used to detect the unfavorable geological body of the roadway floor. Audio frequency electric fluoroscopy technology is mainly used to detect bad geological bodies in the coal seam working face and roof. The application of comprehensive geophysical prospecting method to water prevention and control in a mine indicates that it is effective and worth popularizing.

Key Words： Underground integrated electrical method;Prevention and Control of Water in Coal Mines;Electrical sounding technology;Audio frequency electric fluoroscopy technology

貴州某煤礦C15煤層底板大部分區(qū)域處于茅口灰?guī)r帶壓區(qū)范圍。當存在隱伏構(gòu)造（斷層或陷落住）以及薄弱帶時，造成有效隔水層厚度變小，根據(jù)實際掘進資料顯示，在巷道掘進過程中確有輕微底鼓現(xiàn)象發(fā)生。前期已對工作面兩順槽及切眼開展超前探測，根據(jù)掌握的資料來看，工作面底板局部區(qū)域有起伏，在起伏區(qū)域多存在煤巖層裂隙較為發(fā)育情況，部分區(qū)域有滴淋水現(xiàn)象。考慮到頂板砂巖，尤其是底板灰?guī)r巖溶對回采影響較大，因此回采前有必要對工作面頂?shù)装澹ㄓ绕涫堑装澹┧牡刭|(zhì)情況進行有效探查，為工作面回采過程中防治水技術(shù)措施的合理實施提供參考依據(jù)。

目前用于煤礦井下水文地質(zhì)調(diào)查的地球物理方法主要有槽波法地震勘探、井下電法類方法。槽波法地震勘探是研究槽波在井煤層中的傳播規(guī)律從而達到探查工作面內(nèi)部的小斷層或其他不良地質(zhì)體的一種地球物理方法。實際應(yīng)用表明，槽波法地震勘探在煤礦井下探查小型隱伏斷層、陷落柱（或工作面內(nèi)其他不良地質(zhì)體）的應(yīng)用中展示了良好的應(yīng)用效果，但其缺點是無法確定其是否積水。井下電法類方法包括礦井高分辨電測深技術(shù)、音頻電透視技術(shù)、井下瞬變電磁法等。其中，礦井高分辨電測深技術(shù)主要用來探查巷道底板的不良地質(zhì)體;音頻電透視技術(shù)主要用于探查煤層工作面內(nèi)部的不良地質(zhì)體;而井下瞬變電磁法主要用于掘進迎頭的超前探。這些方法既可以探查煤礦井下的不良地質(zhì)構(gòu)造，也可以確定不良地質(zhì)構(gòu)造是否含水。因此井下電法類方法在煤礦井下著廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

由于該礦井下地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此本文采用音頻電透視技術(shù)對該采面東段頂板巖層中賦水性異常進行探查，利用礦井高分辨電測深技術(shù)對采面西段巷道底板巖層富水性異常分布情況進行探查。

1? 方法原理

1.1 音頻電透視

煤礦井下各種巖（礦）石之間一般都存在導(dǎo)電性差異，這些差異會影響著人工電場的分布形態(tài)。礦井音頻電透視法就是利用專門的儀器在井下觀測人工場源的分布規(guī)律來達到解決地質(zhì)問題的目的。

（1）地電模型及點源場的分布特征。

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，點電源產(chǎn)生的電場分布特征，可用如下關(guān)系式表達。

（1）

（2）

（3）

式中：Um—電位;

I—供電電流強度，A;

Em—電場強度;

jm—電流密度;

ρ—均勻空間介質(zhì)電阻率/Ω·m;

R—觀測點M到點電源A的距離，m。

煤層與其頂、底板（一般為砂巖、泥巖互層）具有明顯的電性差異。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。

根據(jù)鏡像法，可以求出全空間內(nèi)任意點的電位表達式為：

（4）

式中：為第i層的點源在第j層的電位;R供電點至觀測點的距離;ρi為第i層的電阻率值;為反射系數(shù)函數(shù)。

（2）含水構(gòu)造對點源場的電位影響。

對于井下局部地質(zhì)體的附加場，可用導(dǎo)電球來說明問題。即電流場中導(dǎo)體的異常可以近似地看作電偶極子的異常，如圖2所示。

其表達式為：? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

由于r1>>1，r2>>1，故r1-r2=Rcos，r1·r2=r2，上式變?yōu)椋?/p>

（6）

式中：

在直角坐標系中，偶極場的電位分布關(guān)系式為：

（7）

當=90°時：

（8）

（9）

則低阻良導(dǎo)體產(chǎn)生一個負電位，如圖3所示。

對于井下近似三層地電模型來說，其點源場電位表達式為：

（10）

式中Uo為無局部地質(zhì)體時的電位分布;Un為局部地質(zhì)體的異常場。

根據(jù)式（5）、式（10）可以看出異常曲線（U/Un）是以點源A與地質(zhì)體連線的延線為對稱軸的軸對稱曲線，如圖4所示。

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（體積與含水強弱的綜合反映）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5為底板下存在含水體與不含局部水體等兩種條件下電位測量曲線的比較示意圖。

1.2 井下高分辨電測深技術(shù)

礦井直流電法屬全空間電法勘探。它以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，在全空間條件下建場，使用全空間電場理論，處理和解釋有關(guān)礦井水文地質(zhì)問題。

測深法是研究深度方向地層電性變化規(guī)律，從而獲得深度方向地層各種地質(zhì)信息的一種物探方法。它是在同一點逐次增大供電電極距，使勘探深度由小逐漸變大，于是可以觀測到測點處沿深度方向由淺到深地層的變化特征。它主要用于研究電性分層和水文地質(zhì)問題。

與地面電法不同的是井下電法是以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)，在地下巷道中進行電法測量工作，地下電流通過布置在巷道內(nèi)的供電極在巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定電場，該穩(wěn)定場特征取決于巷道周圍巖石的電性特征及其富存狀態(tài)。

高分辨電測深技術(shù)使用對稱四極和三極測深法，針對探測巷道底板含、導(dǎo)水構(gòu)造裂隙而設(shè)計。測量示意圖如圖6。

2? 綜合物探方法在煤礦井下防治水中的應(yīng)用

2.1 礦區(qū)概況

礦區(qū)鉆遇和地表出露地層為二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m），二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、長興組（P3c）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）及第四系（Q）。

根據(jù)區(qū)內(nèi)巖層含水性特征劃分的含水層自下而下有：第四系（Q）孔隙含水層、三疊系下統(tǒng)夜郎組第三段（T1y3）基巖裂隙含水層、三疊系下統(tǒng)夜郎組第二段（T1y2）巖溶含水層、三疊系下統(tǒng)夜郎組第一段（T1y1）相對隔水層、二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）巖溶含水層、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）裂隙含水層及二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）巖溶含水層。礦區(qū)范圍內(nèi)C15煤層距茅口灰?guī)r含水層之間相對隔水層較薄，存在突水的可能。

2.2 資料分析與地質(zhì)效果

圖7為某工作面綜合物探成果圖，左側(cè)為該工作面底板以下0～80m不同深度的平面異常圖;右側(cè)為工作面頂板0～80m不同深度的平面異常圖，圖中暖色調(diào)（紅色）代表高電阻區(qū)域，冷色調(diào)（青色）代表低電阻區(qū)域。

（1）井下高分辨電測深成果。

根據(jù)底板直流電法測深成果顯示底板下主要發(fā)現(xiàn)了5處低阻異常區(qū)，異常在底板下分布范圍及幅值各不相同，其中4號異常區(qū)為本次底板探測發(fā)現(xiàn)的主要異常區(qū)。

1號異常在底板下0～50m范圍有發(fā)育，結(jié)合地質(zhì)資料分析認為該異常附近煤層底板可能存在裂隙相對發(fā)育情況，異常為茅口組灰?guī)r裂隙發(fā)育并相對賦水所致;2號異常在底板下0～40m范圍有發(fā)育，該異常位置在膠帶順槽有f309（2）斷層揭露，在巷道掘進時在該區(qū)域有局部滴淋水現(xiàn)象，異常為頂板砂巖裂隙發(fā)育并相對賦水所致;3號異常在底板下0～80m范圍均有發(fā)育，分析認為該位置處主要為茅口組灰?guī)r局部裂隙發(fā)育并相對賦水所致;4號異常在底板下0～80m范圍有發(fā)育，在膠帶順槽附近異常主要集中在0～60m層段，在回風順槽附近則在0～80m都有反應(yīng)，異常由膠帶順槽向回風順槽逐漸附近異常從淺到深范圍及幅值逐漸增大，結(jié)合地質(zhì)資料分析認為該區(qū)域煤層底板巖層裂隙發(fā)育并相對賦水所致;5號異常主要集中在煤層底板下0～60m范圍內(nèi)，分析認為該位置處異常主要為茅口組灰?guī)r巖層段局部裂隙相對發(fā)育并賦水所致。

（2）音頻電透視法成果。

音頻電透視在頂板上80m范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3處視電導(dǎo)率異常，異常區(qū)在0～40m層段與40～80m層段發(fā)育位置基本一致，6號異常在頂板上0～80m范圍內(nèi)均有分布，在0～40m層段異常幅值相對較弱，40～80m層段異常幅值相對較強貫穿整個工作面，推測認為異常附近煤層頂板可能存在裂隙相對發(fā)育情況，異常為砂巖裂隙發(fā)育并相對賦水所致;7號異常在0～40m層段未見發(fā)育，在40～80m層段僅有零星分布，分析認為異?？赡転槊簩禹敯辶严断鄬Πl(fā)育并賦水所致;8號異常在0～80m范圍都有發(fā)育，在40～80m層段發(fā)育明顯強于0～40m區(qū)域，推測異常可能為煤層頂板砂巖層段裂隙相對發(fā)育并賦水所致。

3? 結(jié)語

本文針對貴州某煤礦復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，采用了礦井高分辨電測深技術(shù)和音頻電透視技術(shù)綜合物探技術(shù)分別探查煤層工作面頂板砂巖含水層相對富水區(qū)和底板茅口組灰?guī)r含水層的相對低阻異常區(qū)。在該礦應(yīng)用效果表明，綜合物探方法在煤礦井下防治水效果良好，值得推廣。

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