煤礦工作面底板灰巖注漿改造檢測方法研究

■王艷波　王　程（中煤科工集團西安研究院有限公司陜西西安710077）

煤礦工作面底板灰巖注漿改造檢測方法研究

■王艷波王程
（中煤科工集團西安研究院有限公司陜西西安710077）

本文通過對一種工作面底板灰巖注漿改造效果檢測方法-音頻電透視方法的介紹，說明在受灰巖水威脅的礦區，音頻電透視法是一種便捷有效的探測方法，通過實例介紹音頻電透視法在工作面富水性探測以及在注漿檢測方面的應用效果，實踐證明礦井音頻電透視技術是可用于工作面灰巖底板注漿改造檢測的有效物探方法。

音頻電透視注漿改造檢測方法

深部煤層開采的最大威脅來自煤層底板的灰巖水，采煤工作面底板巖層中隱伏的構造如張性裂隙、陷落柱等，常是地下水的富集區或成為地下承壓水的通道，工作面回采造成的擾動一旦波及這些隱伏含、導水構造常會造成工作面涌水量增大，嚴重時發生突水事故，給礦工生命和企業財產帶來嚴重損失[1]，如何查明底板內隱伏含、導水構造，提前做好防治措施，是礦井水文地質工作者多年來不斷探索的目標。大量實踐經驗表明，采用音頻電透視法探查深部煤層底板的巖溶富水性，加強底板巖溶突水規律的研究，對安全合理地開采煤炭資源，具有重要的理論和實踐意義。

1　灰巖裂隙的電性特征

巖層與巖層之間、巖層與煤層之間的電阻率差異是在煤礦井下巷道中開展直流電法的物性前提[2]。煤系地層縱向電阻率的變化規律基本一致；橫向上由于煤系地層的層狀分布，其導電性相對均一。含水體的導電性好，與圍巖會有明顯的電性差異[3]，可以通過專門的儀器測量和分析巷道或采場附近穩定電流場的分布變化規律來研究礦井地質問題[4,5]。音頻電透視工作面探測所涉及的巖性主要為灰巖、細粒砂巖、泥巖、中粒砂巖。當均勻地層中存在含水區時，其低電性值在探測到的視電阻率中反映明顯，等值線會發生有規律的變形、圈閉等現象，這對于正確解釋實測電阻率資料具有重要意義。

2　音頻電透視法原理簡介

礦井音頻電透視法以全空間電場分布理論為基礎[6]，利用穿過回采工作面的電流線（由供電點到測量點）電位降數據，采用層析成像技術來重建回采工作面內電性變化圖像，從而確定工作面內底板巖層電性分布規律。根據點電源產生的電場分布特征，可以求出全空間層狀地層模型內任意點的電位表達式為：

對于井下局部地質體的附加場，可用導電球來說明，即電流場中導體的異常可以近似地看作電偶極子異常，其表達式為：

在直角坐標系中，偶極場的電位分布關系式為：

圖1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。

圖1　工作面底板低阻異常體探測曲線

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面的距離等有關。異常體規模（體積與含水強弱的綜合反映）越大、與圍巖的電性差異越大、距收發面距離越小，異常幅度就越大；反之則越小。

音頻電透視采用單極（供電）—偶極（接收）裝置進行數據采集，如圖2所示，即供電極位于工作面某一側巷道內，接地電極布置在無窮遠；測量電極對（M、N極）位于工作面另一巷道內，在與供電極對應位置兩側一定范圍內多點進行扇形接收；在兩個巷道內同時作業，依次用供電極A1、A2、…….發射不同頻率的電流，移動測量電極M、N，對工作面進行以發射點為中心的扇形掃描，達到探測工作面平面的目的。

圖2　音頻電透視工作方法

3　音頻電透視的解釋方法

音頻電透視資料解釋與處理，采用電位測量來確定電導率的變化“首先將觀測區域劃分為若干個地電單元”根據點電源電場分布理論，利用數學方法，可以正演計算出地電模型每個地電單元在理論上的電位及相應的電導率值，同樣根據實測的電位差可以反算各地電單元的電導率，考察每個地電單元的視電導率偏差，用平面圖表現出來，即可推斷解釋含水構造及富水區的各種信息。解釋工作在分析異常特征點的基礎上，進行平面曲線類比，結合鉆孔、地面調查等資料進行綜合對比分析，從已知到未知，由點到線再到面的原則，進行綜合對比解釋。

4　應用實例

某礦1101工作面為該礦11#煤層的首采工作面，煤層底板距離奧灰20m左右，如果有裂隙導通奧陶系灰巖含水層將會對工作面或煤礦的安全生產產生很大威脅，因此礦方在工作面回采前采用此技術進行尋找鉆探靶區以及注漿后注漿檢測工作。探測工作分兩部分，第一階段，通過探測為井下探放水及注漿工作提供靶區；第二階段，通過對注漿后的工作面底板進行二次探測，和第一次探測結果對比達到對工作面底板注漿改造工作檢測的目的。

4.1初次物探結果以及鉆孔驗證情況

圖3是某礦1101工作面音頻電透視探測成果分析圖，其中有3處高電導率異常區，分別定義為1~3號異常，其中縱坐標為巷道切眼深度，橫坐標為工作面巷道位置。在音頻電透視施工完成后，礦方根據音頻電透視異常位置布置鉆孔，共布設鉆孔21個，部分鉆孔位置及出水情況如圖3和表3所示，其中1號異常區和2號異常區在進行鉆孔驗證的過程中多個鉆孔出水較多，出水量較大。

通過鉆孔驗證表可以看出，在音頻電透視異常圖上圈定的物探異常通過鉆探驗證基本上都有出水現象存在，而在物探異常區未圈定區域也布設了一定量的鉆孔（補2#孔），但并未有出水現象出現。說明音頻電透視資料較好的反應了煤層底板含賦水情況。

4.2底板注漿利用音頻電透視檢測效果分析

在1101工作面注漿改造完成后，利用音頻電透視技術又對該工作面的注漿效果進行了檢測，圖4為音頻電透視注漿檢測效果圖。

如圖3所示，1101工作面進行的音頻電透視注漿檢測成果圖中該工作面僅有一個主要異常區存在，命名為1號異常，1號異常和注漿前探測成果中的3號異常位置對應，異常成條帶狀分布，異常的范圍較小，幅值在運輸順槽一側較強。在音頻電透視探測成果圖中的1、2號異常區由于注漿治理，異常范圍和異常幅值已明顯減弱。在注漿前、后地層電導率特征參數統計對比如表2所示（表中電導率值越大說明煤層底板導水情況越好）。

通過對兩次探測資料和注漿前、后異常特征參數分析認為，在注漿后整個工作面的視電導率值明顯降低，說明注漿后工作面的導水性變差，隔水性變好。在音頻電透視探測成果圖中的1、2號異常區由于注漿治理，異常范圍和異常幅值已明顯減弱，說明注漿后，該層段賦水性有明顯減弱。3號異常雖然依然存在但異常范圍和幅值也已明顯減弱。后通過鉆孔及回采資料驗證，1號異常在回采時煤層頂板有小范圍的滴淋水現象出現，分析認為該異常為頂板砂巖相對賦水區，通過初步治理后工作面已實現順利回采。

圖3　工作面底板探測后部分打鉆及注漿分布圖

表1　部分鉆孔泄水情況統計表

圖4　工作面底板下40m范圍內注漿檢測低阻異常分布圖

表2　注漿前、后異常特征參數統計表

5　結語

（1）礦井音頻電透視技術用于工作面水文地質條件探查，可有效地預測工作面底板下的含水異常體，提高了工作面開采的安全性。

（2）音頻電透視技術是一種較好的工作面底板注漿效果檢測技術，通過對工作面注漿前后資料進行對比分析，可以為工作面的安全順利回采提供參考資料。

（3）單一利用一種手段在煤礦井下進行防治水工作可能會存在漏洞，結合鉆探資料對物探資料進行異常可靠性評價會對工作面防治水工作產生更好的應用效果。

[1]張軍,王勇,秦鴻剛,等.礦井音頻電透視在礦井工作面探測中的應用[J].工程地球物理學報.2013,（04）:551-554.

[2]李振峰,馮磊,陳天振,等.音頻電透視儀在鐵礦巷道中的試驗效果[J].地球物理學進展.2005,（02）:446-449.

[3]王素貞.高分辨直流電法在礦井水文地質探測中的應用[J].江西煤炭科技.2005,（03）:17-18.

[4]武杰,劉樹才,劉志新,等.應用三極斷面測深技術探測井下含水構造[J].中國煤田地質.2003,（03）.

[5]李冬林,姜振泉,楊棟梁.煤層底板音頻電透視探測成果反映的底板阻水條件[J].地球科學與環境學報.2005,（03）:68-71.

[6]曾方祿,王永勝,張小鶴,等.礦井音頻電透視及其應用[J].煤田地質與勘探.1997,（06）.

X752[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-209-2

王艷波（1981～），男，碩士研究生，工程師，研究方向為電磁法勘探技術。