網(wǎng)絡(luò)并行電法在金橋煤礦4303 工作面富水性探測中的應(yīng)用

姜洪濤 李海亮 王龍飛

(1.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.濟(jì)寧市金橋煤礦，山東 金鄉(xiāng) 272200)

煤礦水害作為煤礦常見的自然災(zāi)害，給國家和人民帶來了極為嚴(yán)重的損失。目前煤礦開采深度越來越大，水害問題更是成為了制約煤礦生產(chǎn)的不安全因素。因此，煤礦水害防治刻不容緩，井下物探作為常用的煤礦水害防治技術(shù)手段，研究其新技術(shù)、新方法具有極其重要的意義[1-9]。

1 概述

金橋煤礦4303 工作面為該礦四采區(qū)首個工作面，北至四采區(qū)膠帶下山，西鄰四采區(qū)南翼車場，南臨3 煤層露頭，東為規(guī)劃的4305 工作面，對應(yīng)地表位置主要為農(nóng)田。工作面回采3 煤，煤層底板標(biāo)高-425.0～ -389.2 m，平均標(biāo)高-411.6 m，工作面煤厚5.3～7.5 m，整個工作面區(qū)域煤厚平均為6.7 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層平均傾角4°。工作面沿頂板推進(jìn)，實行長壁冒落法開采方式，設(shè)計開采高度2.8 m。3 煤層頂板多為細(xì)砂巖、中砂巖，其抗壓強(qiáng)度相對較大，平均79.35 MPa，屬于穩(wěn)定煤層頂板；3 煤層底板為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，巖層發(fā)育穩(wěn)定，屬較穩(wěn)定底板。工作面主要受第四系Ⅰ段含水層、3 煤層頂、底板砂巖含水層及三灰含水層影響。根據(jù)4303 工作面相鄰的鉆孔分析，第四系Ⅰ段含水層及3 煤層頂、底板砂巖含水層富水性弱。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》計算巷道掘進(jìn)期間安全隔水層厚度為3.79 m，依據(jù)巷道附近鉆孔資料分析，巷道底板與三灰含水層最小層間距為53.49 m，大于安全隔水層厚度。綜合計算工作面回采期間正常涌水量為82.8 m3/h，最大涌水量124.2 m3/h。

2 基本原理

并行電法屬于直流電阻率法（常簡稱為直流電法）的一種，其基本原理為：將直流電源通過電極A、B 向大地供電，在地下建立穩(wěn)定的半空間電場（如圖1）。觀測穩(wěn)定電場的分布和變化情況，即可了解地層情況。

圖1 地下穩(wěn)定電流場裝置圖

為測量大地的電阻率，常在地表分別布設(shè)兩個供電電極A、B 和兩個測量電極M、N，電極A、M 與電極N、B 左右對稱，該裝置被稱為對稱四極裝置（如圖2）。其工作原理為：直流電源通過供電電極A、B 向地下發(fā)送電流，會在電阻率為ρ的地下均勻半空間建立起穩(wěn)定的電場。在MN 處觀測電位差ΔUMN大小。其表達(dá)式為：

圖2 對稱四級裝置

裝置系數(shù)：

從式中計算公式可以看出，K值的大小只與電極的相互位置有關(guān)。

本文闡述的網(wǎng)絡(luò)并行電法，分為AM 法和ABM 法（如圖3）兩種采集模式，它是基于高密度電法勘探而發(fā)展起來的一項新技術(shù)。配套設(shè)備所采用的電極，每個都配備A/D 轉(zhuǎn)換器，通過配套程序建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，控制智能電極的供電和斷開，實現(xiàn)并行自動采樣。不論采用AM 或ABM 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)并行電法采集來的數(shù)據(jù)均具有瞬時性和同時性，測線上所有的電位曲線都可以得到。同時，因測區(qū)內(nèi)地層沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，正常地層組合條件下，在橫向與縱向上都有固定的變化規(guī)律等地層電性特點，使用并行電法技術(shù)能探測工作面底板、底板中的平面上的低阻含水構(gòu)造分布規(guī)律，同時可以發(fā)現(xiàn)垂直于地層方向上不同深度的地質(zhì)構(gòu)造問題。

圖3 網(wǎng)絡(luò)并行電法采集電位圖

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集采用YBD11 并行高密度電法儀，該配套設(shè)備使用全電場觀測技術(shù)同步采集所有測點的自然電場、一次電場電位和二次電場電位數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)量大，采集效率高，一次采集可獲取整個探測區(qū)域內(nèi)的電性特征。數(shù)據(jù)采集后，應(yīng)用YBD11并行高密度電法儀配套專用軟件，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)測線實際位置，對測點賦予相應(yīng)坐標(biāo)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解編并進(jìn)行疊加處理，同時對畸變數(shù)值進(jìn)行剔除與校正，最后通過三維電法數(shù)據(jù)反演得到所需要的立體圖及切面圖（數(shù)據(jù)處理流程如圖4）。

圖4 電阻率數(shù)據(jù)處理流程圖

4 應(yīng)用實例

在金橋煤礦4303 工作面順槽和切眼布置電法測線。其布置方式為：軌道順槽自J1 測點開始至NJ16 測點結(jié)束，測線長度700 m；皮帶順槽和切眼自開1 測點開始經(jīng)切眼至NJ19 測點結(jié)束，測線長度850 m?，F(xiàn)場施工布置圖如圖5 所示，共布置電法測線2 條，每一測站底板施工完成后立即進(jìn)行頂板探測。電極間距10 m，第一條測線控制長度850 m，第二條測線控制長度700 m，共完成4303 工作面巷道測線長度約1550 m。

圖5 電法探測現(xiàn)場施工平面圖

5 成果分析

4303 工作面數(shù)據(jù)采集結(jié)束，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在工作面頂、底板100 m 范圍內(nèi)，按每20 m 選取一個切片，形成了4303 工作面探測空間立體分布圖（如圖6）。

圖6 4303 工作面探測空間立體分布圖

（1）可以看出煤層頂板上方40～100 m 范圍內(nèi)整體的視電阻率值較高，均在10 Ω·m 以上，根據(jù)結(jié)果可以判斷該區(qū)域富水性相對較弱。

（2）工作面頂板上方20 m 對應(yīng)巖性為中砂巖，該層位存在1 個低阻異常區(qū)DZ1，該異常區(qū)靠近皮帶順槽和切眼附近，沿工作面走向長度為27 m，寬度51 m。該異常區(qū)處層位為煤層頂板上砂巖，頂板砂巖局部裂隙可能引起視電阻率低阻異常反應(yīng)。

（3）工作面底板下方20 m 存在2 個低阻異常區(qū)DZ2、DZ3。其中DZ2 靠近4303 皮帶順槽，沿工作面走向長度為38 m，寬度30 m；DZ3 異常區(qū)靠近皮帶順槽和切眼交叉口，沿工作面走向長度為56 m，寬度52 m。該2 處異常區(qū)所處層位為煤層底板下砂巖，推斷異常反應(yīng)區(qū)為底板砂巖局部裂隙相對富水造成的視電阻率低阻異常反應(yīng)。

（4）工作面底板下方60 m 存在1 個低阻異常區(qū)DZ4，位于面內(nèi)，沿工作面走向長度為241 m，寬度130 m。該異常區(qū)的位置處于三灰層位，三灰?guī)r溶裂隙局部富水，可能引起視電阻率低阻異常反應(yīng)。

（5）工作面底板下方80～100 m 范圍內(nèi)整體的視電阻率值較高，均在10 Ω·m 以上，根據(jù)結(jié)果可以判斷該區(qū)域富水性相對較弱。

6 鉆探驗證

根據(jù)并行電法解釋結(jié)果，共圈定4 個低阻異常區(qū)，分別為頂板1#異常區(qū)和底板異常區(qū)2#、3#、4#。為了進(jìn)一步排除工作面水害隱患，共施工異常區(qū)驗證鉆孔13 個，編號為1#～13#；非異常區(qū)鉆孔2 個，編號14#、15#。鉆孔位置如圖7，鉆孔揭露異常區(qū)出水情況見表1。

表1 異常區(qū)鉆孔驗證情況統(tǒng)計表

圖7 4303 工作面物探低阻異常區(qū)驗證設(shè)計圖

異常區(qū)探查鉆孔未見斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。其中工作面內(nèi)向頂板施工2 個探查孔，探查鉆孔出水情況顯示物探圈定的工作面頂板1#異常區(qū)富水性弱；工作面內(nèi)向底板共施工13 個探查孔，探查鉆孔出水情況顯示物探圈定的工作面底板2#、3#、4#異常區(qū)均為富水異常區(qū)，3 煤層底板砂巖和三灰含水層局部富水。非異常區(qū)鉆孔14#、15#未出水。

7 結(jié)論

（1）4303 工作面井下物探并行電法共完成測線長度1550 m，測線覆蓋整個工作面，共圈定了4處低阻異常區(qū)。

（2）根據(jù)并行電法數(shù)據(jù)處理結(jié)果圈定的低阻異常區(qū)，打鉆進(jìn)行了一一驗證，共計施工鉆孔13 個，其中1#頂板異常區(qū)驗證鉆孔無明顯出水，2#～4#底板異常區(qū)內(nèi)的所有鉆孔均有水涌出。通過對低阻異常區(qū)內(nèi)的鉆探驗證情況可以看出，網(wǎng)絡(luò)并行電法圈定的低阻異常區(qū)準(zhǔn)確。

（3）14#、15#鉆孔為非異常區(qū)驗證孔，即選取了底板高阻區(qū)域施工了2 處鉆孔，終孔層位位于底板砂巖，經(jīng)驗證該2 處鉆孔未出水，再次證明了網(wǎng)絡(luò)并行電法探查的準(zhǔn)確性。

綜合分析，網(wǎng)絡(luò)并行電法是基于高密度電法勘探而發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其數(shù)據(jù)采集具有多次疊加、多種組合的優(yōu)勢。在金橋煤礦4303 工作面進(jìn)行了實際操作，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，圈定了低阻異常區(qū)，通過鉆孔對低阻異常區(qū)進(jìn)行了一一驗證，并選取一處高阻區(qū)域鉆探印證，證明了低阻異常區(qū)圈定準(zhǔn)確、方法可行。