采煤工作面水害電法精細(xì)探測技術(shù)

牟 義，楊新亮，李宏杰，邱 浩

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013;2.晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院物探工程分公司，山西 晉城 048000;3.晉煤集團(tuán)資源環(huán)境局,山西 晉城 048006)

礦井水害是煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)災(zāi)害和制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一[1]。水害的發(fā)生，大部分是由于在采掘過程中觸及或接近了含導(dǎo)水構(gòu)造，或是采掘改變了原來的應(yīng)力狀態(tài)，破壞了應(yīng)力平衡，使隔水層遭到破壞[2]。目前，工作面掘進(jìn)和回采過程中突水日益增多，成為煤礦安全的主要突水威脅，也日益成為礦井物探主要的研究方向。近年來，隨著礦井物探技術(shù)，特別是針對礦井工作面水害的礦井電法技術(shù)的研究，礦井瞬變電磁法和礦井音頻電透視法等電法技術(shù)在煤礦工作面水害預(yù)測中應(yīng)用實(shí)踐越來越成熟，取得了較好的探測效果，為煤礦的安全生產(chǎn)解決了大量的實(shí)際問題。

1 工作面含水體探測的物性前提

在工作面附近的結(jié)構(gòu)致密完整不含水的煤巖層在電阻上表現(xiàn)為高電阻率特征。如果煤巖層裂隙等構(gòu)造發(fā)育且含水或存在采空區(qū)積水，那么在煤巖層裂隙發(fā)育、斷層、裂隙帶等構(gòu)造或采空積水區(qū)附近的電阻率會比正常煤巖地層的電阻率大大降低，降低的程度視裂隙等構(gòu)造發(fā)育、含水程度或采空區(qū)積水程度的不同而不同。裂隙等構(gòu)造愈發(fā)育含水性愈強(qiáng)，電阻率愈低；采空區(qū)積水越多，電阻率越低。據(jù)此，通過探測工作面頂、底板和煤層內(nèi)部等區(qū)域煤巖層的電阻率及其變化規(guī)律，可以查明煤巖層的水文地質(zhì)條件。這種變化特征的存在，為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法和礦井音頻電透視法的實(shí)施提供了良好的地球物理前提。

2 礦井電法探測原理與方法

礦井瞬變電磁法和礦井音頻電透視法同屬于電法勘探范疇，主要是根據(jù)煤巖層、含水體、老空區(qū)、積水區(qū)以及各類地質(zhì)構(gòu)造之間的導(dǎo)電性、電化學(xué)活動性、介電性等電學(xué)性質(zhì)的差異，在礦井中借助專門的儀器設(shè)備觀測和研究地球物理場的變化及分布規(guī)律，來查明富水性的一種地球物理勘探方法，進(jìn)而達(dá)到解決煤礦安全隱患問題的目的。

2.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時(shí)間窗口也基本相同。受礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于130m。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)(圖1)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下(或兩側(cè))地層。

圖1 地下全空間TEM信號擴(kuò)散示意

2.2 礦井音頻電透視法

礦井音頻電透視法同地面電阻率法原理相同，它通過一對接地電極把電流供入大地中，而通過另一對接地電極觀測用于計(jì)算巖石電阻率所必須的電位或電位差信息。音頻電透視法在工作面內(nèi)部探測采用軸向單極-偶極法(如圖2(a)所示)，在一條巷道內(nèi)布置供電電極A1和無窮遠(yuǎn)電極B，向底板或頂板供電，在地下巖層中建立穩(wěn)定電流場，在工作面的另一條巷道內(nèi)布置測量電極M和N，測量兩點(diǎn)的電位差，并計(jì)算視電阻率ρs。若工作面內(nèi)、底板或頂板存在低阻異常體，視電阻率ρs就會有所反映。應(yīng)用定點(diǎn)交會法進(jìn)行測量(如圖2(b)所示)，所謂定點(diǎn)，就是固定供電電極A1和無窮遠(yuǎn)電極B，以一定的間隔同時(shí)移動M1和N1，每移動一次，測量一次M1、N1之間的電位差，得到一個(gè)視電阻率ρs。這樣就形成了以A1為圓心，O1(M1、N1中點(diǎn))為半徑的扇型區(qū)域。當(dāng)A1、O1之間的連線在一條巷道內(nèi)把設(shè)計(jì)的所有位置都覆蓋一遍，單邊測量結(jié)束。把供電電極A1和無窮遠(yuǎn)電極B和測量電極M1、N1互換，按上述的方法再測量一遍，完成另一邊的測量。

圖2 礦井音頻電透視施工布置圖

3 礦井水害探測實(shí)例

3.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法探測采用的是PROTEM47礦用瞬變電磁儀，以內(nèi)蒙某煤礦1136工作面上方區(qū)域探測為例，以便更全面掌握該工作面上方砂巖富水情況。根據(jù)1136綜采工作面實(shí)際采掘條件，在1136綜采工作面回風(fēng)順槽和皮帶順槽各設(shè)計(jì)3個(gè)不同的探測方向。頂板巖層的探測范圍覆蓋情況如圖3所示。回風(fēng)順槽按90°、40°、25°(發(fā)射線圈平面法線方向與水平面的夾角)的探測方向設(shè)計(jì)，皮帶順槽按90°、40°、25°，基本上全部覆蓋了1136綜采工作面3-1上煤頂板各巖層。

圖3 1136工作面礦井瞬變電磁法探測設(shè)計(jì)

通過數(shù)據(jù)處理、反演計(jì)算和成圖后，在1136工作面上方形成不同角度電阻率剖面圖和不同高度電阻率平面圖。以工作面上方30m高度所成電阻率平面圖(如圖4所示)為例，該圖投影到1136工作面后，正好和1136工作面重合，其坐標(biāo)原點(diǎn)位于1136回風(fēng)順槽與3-1皮帶大巷交點(diǎn)處，上部橫坐標(biāo)與1136皮帶順槽距離3-1皮帶大巷重合，下部橫坐標(biāo)與1136回風(fēng)順槽距離3-1皮帶大巷重合；左側(cè)縱坐標(biāo)與3-1皮帶大巷方向一致，右側(cè)縱坐標(biāo)與1136工作面切眼重合。平面圖中白色虛線框代表圈定的異常區(qū)范圍；平面圖中右側(cè)色標(biāo)不同顏色代表不同電阻率值，其中白色表示高電阻率值，黑色表示低電阻率值。

在圖4中1136工作面上方30m處電阻率平面圖中，發(fā)現(xiàn)2處低阻異常和2處高阻異常。低阻異常分別命名為低阻異常1和低阻異常2；高阻異常分別命名為高阻異常1和高阻異常2。根據(jù)探測資料，結(jié)合巷道已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況和巖性變化分析，推斷低阻異常1為富水性中等，可能由于砂巖含水層引起；推斷低阻異常2局部富水性中等，局部富水性較強(qiáng)或強(qiáng)，可能由于砂巖含水層引起；推斷高阻異常1和高阻異常2為高阻巖體，可能是由于含水較少的致密巖體引起。后礦方在1136工作面上方圈定的低阻異常和高阻異常位置布置了28個(gè)鉆孔，鉆孔位置如圖5所示，經(jīng)打鉆驗(yàn)證，有18個(gè)鉆孔出水，Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z17、Z18、Z19、Z26、Z28等14個(gè)鉆孔出水量較大，經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)分析為砂巖裂隙水。

圖4 1136工作面上方30m處探測平面圖

圖5 1136工作面鉆孔設(shè)計(jì)圖

3.2 礦井音頻電透視法

礦井音頻電透視法探測采用的是YT120(A)音頻電穿透儀，以山西某煤礦13120工作面內(nèi)部探測為例，以便更全面掌握內(nèi)部煤層區(qū)域富水情況。設(shè)計(jì)本次物探工作在13120工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷分別布置發(fā)射點(diǎn)5個(gè)，共10個(gè)發(fā)射點(diǎn)。每個(gè)發(fā)射點(diǎn)一般對應(yīng)15個(gè)接收點(diǎn)(部分發(fā)射點(diǎn)少于15個(gè)接收點(diǎn))，對應(yīng)巷道的一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收，發(fā)射點(diǎn)點(diǎn)距50m，接收點(diǎn)點(diǎn)距10m，無窮遠(yuǎn)電極極距300～500m。圖6為13120工作面音頻電透視法探測設(shè)計(jì)。

圖6 13120工作面音頻電透視法探測設(shè)計(jì)

圖7為13120工作面內(nèi)部區(qū)域音頻電透視法探測平面圖，坐標(biāo)原點(diǎn)位于13120工作面回風(fēng)巷與回風(fēng)大巷交點(diǎn)處，橫坐標(biāo)表示沿13120工作面回風(fēng)巷距離回風(fēng)大巷的長度，縱坐標(biāo)表示沿回風(fēng)大巷距離13120工作面回風(fēng)巷的長度。不同顏色色標(biāo)表示視電阻率的大小，其中白色表示高視電阻率值，黑色表示低視電阻率值。

圖7 13120工作面內(nèi)部探測平面圖

在圖7中，13120工作面內(nèi)部區(qū)域發(fā)現(xiàn)5處低阻異常和7處高阻異常。5處低阻異常分別是低阻異常1、低阻異常2、低阻異常3、低阻異常4、低阻異常5；7處高阻異常分別是高阻異常1、高阻異常2、高阻異常3、高阻異常4、高阻異常5、高阻異常6、高阻異常7。探測結(jié)果表明13120工作面內(nèi)部區(qū)域沒有強(qiáng)的含水構(gòu)造，13120工作面測區(qū)范圍東南部層位較低，分布5處低阻異常，推斷可能為頂板裂隙發(fā)育相對較強(qiáng)，可能微弱含水，但不影響該工作面回采，后經(jīng)回采揭露低阻異常2、低阻異常3、低阻異常4等3塊圈定低阻異常區(qū)域出現(xiàn)頂板滴水和淋水現(xiàn)象。另外，7處高阻異常層位較高，可能為致密干燥巖體或不含水構(gòu)造因素所致。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

結(jié)合在多個(gè)煤礦工作面內(nèi)部區(qū)域的探測經(jīng)驗(yàn)和2種礦井工作面電法探測的特點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

1) 礦井瞬變電磁法和礦井音頻電透視法中電阻率的高低反映了富水性的強(qiáng)弱，所推測富水區(qū)含水層整體上呈相對低電阻率異常特征，所圈定的低阻異常體鉆探驗(yàn)證為含水體的效果較好。

2) 結(jié)合礦井地質(zhì)概況及電性特征的特點(diǎn)，富水性的強(qiáng)弱決定著巖層電阻率的高低，從上面的兩個(gè)實(shí)例中，可以對應(yīng)著三個(gè)不同的電阻率區(qū)間劃分三個(gè)不同程度的富水情況：①電阻率小于5Ω·m：富水性相對強(qiáng)到較強(qiáng)，可能是由于含水強(qiáng)或較強(qiáng)含水層(或采空積水區(qū))引起；②電阻率介于5～30Ω·m：富水性中等，可能是由于一般含水層(或一般采空積水區(qū))或低阻巖體引起；③電阻率介于〉30Ω·m：富水性相對較弱，是正常巖層反映。

4.2 建議

為了在工作面回采前更好的預(yù)測預(yù)報(bào)工作面區(qū)域富水情況，對于2種探測方法的選擇和優(yōu)化提出以下建議。

1) 工作面形成通風(fēng)系統(tǒng)后，建議采用礦井瞬變電磁法和礦井音頻電透視法2種方法對工作面內(nèi)部區(qū)域含水體進(jìn)行超前探測，2種方法相互配合、相互補(bǔ)充，可以多角度多層位更全面監(jiān)測工作面區(qū)域富水性。

2) 結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化了一套合適的施工裝置和施工參數(shù)。礦井瞬變電磁法一般采用偶極裝置、雙巷道觀測模式，每條巷道一般設(shè)置3個(gè)對稱探測角度，點(diǎn)距一般為10m；礦井音頻電透視法采用軸向單極-偶極裝置、雙邊測量定點(diǎn)交會觀測模式，每個(gè)發(fā)射電極一般對應(yīng)扇形區(qū)域13～15個(gè)測量電極，發(fā)射極距一般為50m，測量極距一般為10m。

3) 結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)和驗(yàn)證情況，礦井瞬變電磁法可以多角度多層位探測，對工作面頂、底板方向含水體能較好的圈定分布范圍；礦井音頻電透視法可以單層位定向探測，對工作面內(nèi)部煤層層位進(jìn)行較好的圈定含水體；綜合采用礦井瞬變電磁法和礦井音頻電透視法對工作面各個(gè)層位進(jìn)行全面觀測，可以相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)工作面區(qū)域全方位精細(xì)探測。

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