音頻電法在煤礦構(gòu)造導(dǎo)阻水性的應(yīng)用研究

馬玉川

(山西霍寶干河煤礦有限公司)

·試驗(yàn)研究·

音頻電法在煤礦構(gòu)造導(dǎo)阻水性的應(yīng)用研究

馬玉川

(山西霍寶干河煤礦有限公司)

以干河煤礦首采2-101工作面為例，介紹了音頻電穿透法在構(gòu)造導(dǎo)、阻水性探查的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，音頻電穿透法物探方法在構(gòu)造導(dǎo)、阻水探查方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，地質(zhì)效果顯著，是一種行之有效的地質(zhì)勘探手段。

音頻電穿透法；構(gòu)造導(dǎo)、阻水性；低阻異常區(qū)；導(dǎo)電差異

山西霍寶干河煤礦2-101工作面為首采工作面，走向長2 100 m，傾斜長205 m，所采煤層為2#煤，2#煤位于二疊系底部，距奧陶系含水層頂部大約為120 m，由于奧陶系含水層的水壓和水量都很大，若奧陶系含水層的水通過斷層等構(gòu)造導(dǎo)入到工作面底板附近，對工作面的安全回采造成極大的威脅。作為干河煤礦首采工作面，涌水量較大，為了安全生產(chǎn)，需預(yù)先查清該采面底板的水文地質(zhì)條件,為該工作面的采前防治水及回采過程中采取適當(dāng)技術(shù)措施提供物探依據(jù)。在井下利用音頻電穿透法，對2-101工作面底板進(jìn)行了探測，取得了良好的效果。表明音頻電穿透法是一種行之有效的物探手段，值得推廣應(yīng)用。

1 方法原理

由于地下各種巖(礦)石之間存在導(dǎo)電差異[1]，如表1所示，影響著人工電場的分布形態(tài)。礦井音頻電透視法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(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。

表1 一般煤系地層常見巖石電阻率值

從大的范疇來說，礦井音頻電透視法屬礦井直流電法[2]。因其施工方法技術(shù)、資料處理技術(shù)的差異及主要針對性(探測采煤工作面內(nèi)部的構(gòu)造)等原因而形成礦井音頻電透視法分支。

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)：

(1)

(2)

(3)

式中:Um—電位；

I—供電電流強(qiáng)度,A；

Em—電場強(qiáng)度；

jm—電流密度；

ρ—均勻空間介質(zhì)電阻率；

R—觀測點(diǎn)M到點(diǎn)電源A距離，m。

含水構(gòu)造可以模擬為局部地質(zhì)體，如圖1所示。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。

圖1 含水構(gòu)造的異常反映特征示意圖

2 工作布置和工程量統(tǒng)計(jì)

設(shè)計(jì)物探測點(diǎn)以10 m為點(diǎn)距正巷、副巷兩順槽對稱編號標(biāo)點(diǎn)，從外往切眼，正、副巷各204個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，共計(jì)408個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。

測網(wǎng)密度：接收點(diǎn)距20 m、發(fā)射點(diǎn)距50 m，針對每個(gè)發(fā)射點(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，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)一般對應(yīng)7～2個(gè)接收點(diǎn)(見圖2)。

本次物探工作，兩順槽共布置82個(gè)發(fā)射點(diǎn)(正、副巷各42個(gè))，為了探測工作面底板下不同深度的水文地質(zhì)狀況，施工時(shí)采用F=120 Hz、15 Hz兩個(gè)頻點(diǎn)依次測量。

(a) 軸向單極—偶極法 (b) 測量方式

圖2 礦井音頻電透視施工布置示意圖

3 資料的分析與處理

1) 原始資料處理。為保證原始資料質(zhì)量，施工嚴(yán)格按照“煤田電法勘探規(guī)范”進(jìn)行。本次物探工程在測量過程中對多個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行了檢查測量，符合“規(guī)范”要求。

資料質(zhì)量以檢查點(diǎn)相對均方誤差值來衡量。其公式表示為：

(4)

式中：

n—檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)；

ρi—第i個(gè)點(diǎn)的原測值；

按公式(4)計(jì)算得到平均均方差為 4.75%，符合規(guī)范不超過 5%的要求。

2) 資料分析解釋。音頻電透視采集的參數(shù)有發(fā)射點(diǎn)位置、接收點(diǎn)位置、電位差、發(fā)射電流和接收間距等。

考慮到資料處理的方便與直觀，處理過程中把視電阻率值轉(zhuǎn)化為視電導(dǎo)率值。由于視電導(dǎo)率與視電阻率呈反比例關(guān)系，電透視成果圖上視電導(dǎo)率數(shù)值越大表示異常越強(qiáng)。

資料處理與解釋方法有人工交匯法與CT成像法兩種。現(xiàn)在一般都用CT成像方法解釋。

交匯法就是根據(jù)集流效應(yīng)使得點(diǎn)源場中低阻良導(dǎo)電地質(zhì)體方向上的電位下降梯度增大(高阻地質(zhì)體情況，則相反)，由異常曲線的拐點(diǎn)來劃分異常區(qū)間，并交匯出異常范圍的方法。這種方法人為因素影響較大，因人而異，誤差較大。

礦井音頻電透視層析成像原理：礦井音頻電透視層析成像是利用穿過采煤工作面內(nèi)的沿許多電力線(由供電點(diǎn)到測量點(diǎn))的電位差數(shù)據(jù)來重建采面電性變化圖像的。

設(shè)X為供電點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的連線，U為電位差，可以證明：

△U=Cf(x)σ(x，y)dx

(5)

式中：

σ(x，y)—電性參數(shù)(是x,y的位置函數(shù))；

C—調(diào)節(jié)系數(shù)。

把整個(gè)研究范圍剖分為J=M×N個(gè)單元來考慮，把所研究的問題離散化，見圖3。假定第j條射線穿過I個(gè)單元,則第j條射線上的電位差表達(dá)式為：

(6)

式中:

rj，i—第j條射線位于第i單元內(nèi)的長度(各單元序號是x,y的位置函數(shù))；

δj，i—第i個(gè)單元內(nèi)的電性參數(shù)。

圖3 單元剖分示意圖

將所有各射線建立方程，則有：

△U=x·δ

(7)

則所有問題轉(zhuǎn)化為:根據(jù)數(shù)據(jù)△U來計(jì)算σ的值。由于這是一個(gè)超定方程組,很難求其精確解，故采用多次迭代的近似值法來求其近似解。

構(gòu)造類型則根據(jù)異常形態(tài)結(jié)合地質(zhì)條件與構(gòu)造發(fā)育規(guī)律進(jìn)行綜合分析推斷。

3) 物探成果與地質(zhì)解釋。經(jīng)過上述處理流程得出物探成果圖件。將物探成果圖件和已知的地質(zhì)資料相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析，得出地質(zhì)結(jié)論。

本項(xiàng)工程提交成果圖件兩幅,見圖4，圖5。

圖4 70 m深度音頻電透視探測成果示意圖

圖5 100 m深度音頻電透視探測成果示意圖

從圖4可以看出，視電導(dǎo)率整體上變化比較平緩，沒有大的異常區(qū)存在，總體上看,電性分布比較穩(wěn)定。1號異常，1012巷的204號測點(diǎn)和130～135號測點(diǎn)折至1011巷的185～198號點(diǎn)附近， 從圖中看該區(qū)域的異常部分富水性較強(qiáng)。2號異常，主要分布在1012巷道的110號～175號之間，異常主要分布在巷道附近，異常的幅值不大，范圍較小推斷其對工作面的回采影響不大。3號異常區(qū)域位于1012工作面的45號測點(diǎn)～105號測點(diǎn)之間折向1011巷道的105號測點(diǎn)～47號測點(diǎn)之間。該區(qū)異常部分區(qū)段連通兩順槽。為本次探測的主要異常區(qū)段。異常的核心部分位于1012巷道附近。4號異常位于1012巷道的0號～26號測點(diǎn)折向1011巷道的15～0號測點(diǎn)之間，該區(qū)異常向工作面延伸不多。總體來看該工作面的異常區(qū)分布比較分散，異常幅值不大，異常范圍相對較小，推斷異常性質(zhì)主要表現(xiàn)為砂巖裂隙相對富含水。

異常和已知構(gòu)造(斷層)的關(guān)系：在斷層部位表現(xiàn)為相對富水，向工作面的延伸不長。

從圖5可以看出，異常區(qū)主要分布在4個(gè)區(qū)域，1號異常區(qū)在切眼附近的工作面變窄區(qū)域，2號異常位于1-1012巷道附近。3號異常以70號測點(diǎn)為中心左右寬200 m，為探測區(qū)域的主要異常區(qū)段。4號異常在測區(qū)的0～26號測點(diǎn)之間。總體來看,異常區(qū)段是局部的，相對分散。沒有異常幅值大，異常區(qū)域較寬連成一片的異常區(qū)段存在。

從兩個(gè)中心平面的異常區(qū)比較：兩個(gè)平面在大致相同的地方存在4個(gè)異常區(qū)段，在每個(gè)異常區(qū)中，異常形態(tài)略有不同。反應(yīng)在兩個(gè)平面的大致相同部位存在局部巖石裂隙發(fā)育并相對富水區(qū)段。總的來說,異常區(qū)的分布較為零星，說明本工作面下部的富水性相對均一。在工作面回采時(shí)加強(qiáng)觀測，發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)采用措施，或提前在異常區(qū)段相對加強(qiáng)排水設(shè)施的建設(shè)。

4 構(gòu)造含水性分析

從現(xiàn)有資料看，2-101工作面掘進(jìn)過程中共揭露斷層20余條，其中大多數(shù)斷層落差大于5 m，斷層及附近煤層和頂板破碎給回采生產(chǎn)造成一定的影響；另外，工作面北中部有一古河床沖蝕帶，該范圍內(nèi)，煤層上部夾有砂巖包擄體，直接頂巖性變?yōu)樯皫r，根據(jù)先前的物探結(jié)果分析，工作面內(nèi)存在多處低值異常區(qū)，可能為斷層落差增大。將本次物探成果圖件與2-101工作面采掘工程平面圖對照來看，僅在局部區(qū)段和異常區(qū)有一定關(guān)系，從異常區(qū)的分布范圍和形態(tài)看異常區(qū)與斷層并沒有較為明顯的關(guān)聯(lián)度。

總體來看，工作面內(nèi)沒有明顯的異常區(qū)域存在，推斷底板下70 m范圍內(nèi)無強(qiáng)含水區(qū)段。但在生產(chǎn)過程中靠近斷層(等構(gòu)造體)附近時(shí)也不能忽視，尤其是采動(dòng)影響對斷層(等構(gòu)造體)帶造成的破壞有可能對斷層(等構(gòu)造體)的含導(dǎo)水性產(chǎn)生一定的影響。

5 應(yīng)用情況

2-101工作面已回采完畢，實(shí)際揭露情況與音頻電穿透法勘探情況基本一致，說明音頻電穿透法在構(gòu)造導(dǎo)、阻水性探查方面效果較好，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 冷勝友.干河礦2-101工作面音頻電勘探報(bào)告[R].西安：煤炭科學(xué)研究總院西安研究院, 2008：13-24.

[2] 張虎生,張為孫.物探方法在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 2003(03):47-51.

ApplicationStudyonAudioElectricityinCoalMineThroughtheStructureoftheResistanceWater

MaYu-chuan

Takes the first coal mining face of 2-101 in Ganhe coal mine for example, introduces the method in construction through the report, a search of water,the real test shows that electric geophysical prospecting way through the method in construction, a search report of the water has a unique advantage, geological worked, is an effective means of a geological prospecting.

Audio electricity can pass; The structure of water conductivity; An area of low resistance; Electricity differences

馬玉川 男 1976年出生 1997年畢業(yè)于山西省煤炭工業(yè)學(xué)校 助理工程師 霍州 031400

TD16

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1672-0652(2010)10-0004-04

2010-07-28