高家莊煤礦回風大巷水害探測技術

劉超林，李 軍，郭英杰

（1.國家安全生產監督管理總局 信息研究院，北京 100029；2.黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150022；3.內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司，內蒙古 赤峰 024076）

水害是嚴重影響礦井正常安全生產的五大災害之一，在煤礦井巷掘進過程中，為了避免水害事故的發生，采取相應的技術措施探測一定范圍內的積水分布情況，對于井巷安全掘進和礦井防治水具有重大意義[1]。目前，在水害探測中，常用的物探方法主要有瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、高密度電法和EH4大地電磁法等[2-5]。其中瞬變電磁法屬于時間域電磁法，該方法在有其他干擾源的情況下，探測精度會受到影響；可控源音頻大地電磁法屬于頻率域電磁法，由于存在靜態效應、遠近場區效應等問題，造成在某些地質環境下分辨率下降；高密度電法是一種陣列勘探方法，只能用于探測深度小于100 m的區域，使得使用受到一定限制；EH4大地電磁法屬于部分可控源與天然源相結合的一種大地電磁測深系統，通過電導率成像技術，能夠直觀地反映異常區域在剖面的形態、規模等，被廣泛應用于隱伏構造定位預測[6]、構造定位及導水探測[7-8]、采空區探測[9-12]等。采用EH4大地電磁測深法探測了高家莊煤礦回風大巷及周圍區域的富水狀況，并預測了可能存在的不良隱伏地質構造，預防了掘進過程突發水害事故。

1 地質概況

1.1 礦井及勘探區地質概況

高家莊煤礦位于河東煤田中段，可開采煤層2#、4#、8#、9#+10#，目前開采 2#煤層，2#煤賦存于山西組中部，礦井開采標高+515 m。回風大巷位于2#煤層當中，沿2#煤層底板掘進施工，煤層厚度0～1.7 m，平均1.03 m，屬全區穩定可采煤層。煤層直接頂板為中細粒砂巖或泥巖，厚度4.5～8.30 m，局部裂隙發育，屬中等堅硬頂板；底板為灰黑色泥巖或中細砂巖，厚度5.50 m，質散。該礦井田范圍內均為黃土覆蓋。根據井田內勘探鉆孔揭露情況，含水地層由老到新：奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統太原組層間砂巖裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層。煤層底板中僅有奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層對煤層開采存在威脅。

1.2 地層電性特征

通過對礦區已知資料的綜合分析，一般把巖層含水性與電阻率的對應關系分為5個級別（表1）。

表1 地層含水性與電阻率一覽表

2 EH4大地電磁法原理

2.1 工作原理

EH4電磁成像系統屬于部分可控源與天然源相結合的一種大地電磁測深系統，將大地看作水平介質，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測到相互正交的電磁場分量為Ex，Hy。通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質的電阻率值，其計算公式為：

式中：f為頻率，Hz；ρ為視電阻率，Ω·m；Ex為 x向的電場強度，V/m；Hy為y向的磁場強度，A/m。

探測深度δ理論上為1個屈服深度，公式為：

式（2）表明，電磁波的透入深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。

2.2 解釋原則

由于此次物探以電法電導率連續剖面測量為主，因此解釋原則主要從地層的電性特征討論：

1）第四系巖性一般由砂、亞砂土及不同程度的礫石組成，在電性上表現為低電阻率特征，電阻率一般小于 20 Ω·m。

2）煤系地層電阻率一般為40至幾百Ω·m，而灰巖電阻率較高，一般為幾百到幾千Ω·m。當砂巖或灰巖中含水時，電阻率將低于正常巖層的電阻率，其降低的程度視與含水量大小有關。

3）在斷層發育區，斷層破碎帶與正常連續地層在電性上具有明顯差異，當斷層破碎帶不含水時，將呈現出高電阻率特征，而當斷層破碎帶含水時，將呈現出低電阻率特征。

據此，通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結構狀態和含水狀況，這也是本次電法探測的物理前提。

3 現場數據采集和數據處理及解釋

3.1 施工工作布置

本次EH4大地電磁法探測施工區域位于回風大巷掘進迎頭對應地表區域：迎頭前方約150 m，后方約100 m，左側約100 m，右側約100 m，設計總探測面積為53 457 m2。測網布置為20 m×10 m，即線距20 m，點距10 m；根據測網密度設置11條測線，每條測線長度為250 m，共286個測點。測線布置圖如圖1。

圖1 采掘工程平面與測點布置對照圖

3.2 使用參數設置

本次探測利用EH4連續電導率剖面儀，為確保探測成果質量符合物探規程不大于5%的要求，按常規電法統計重復測量誤差的方法對EH4部分測點進行了重復測量。采集參數如下：①測量頻帶：1 Hz～10 kHz（天然）；1 000 Hz～92 kHz（天然）；②數據迭加次數：16～20次；③濾波檔選擇：50 Hz陷波；④增益選擇：根據電磁場信號的實際強度在1～80 dB范圍內靈活選擇；⑤電極距選擇：20 m。

3.3 采集數據處理

本次勘探采用EH4專用數據處理系統IMAGEM和EMAGE2D進行處理。首先利用EMAGE2D軟件對原始采集的資料進行數據預處理，包括干擾點的剔除、靜態校正；然后采用IMAGEM二維反演成像或RRI反演成像，對視電阻率剖面頻率軸進行深度標定，形成反演電阻率隨深度數據文件，繪制電阻率剖面圖。

3.4 代表性探測剖面成果解釋

通過對測區具有代表性的EH4測線勘探資料綜合處理，根據地層電性特征，形成了測線的反演視電阻率色譜剖面圖。對每一剖面進行地質解釋，從而圈定了回風大巷及附近的富水異常范圍。

3.4.1 測線縱向剖面視電阻率變化規律

測線D2、D8、D3、D7的視電阻率剖面圖（橫軸東向為正值，坐標范圍0～250 m；縱軸為水平標高，坐標范圍0～1 150 m）如圖2～圖5。電阻率值由低到高由不同的顏色來表示，藍色表示低阻，粉紅色表示高阻。

圖2 測線2視電阻率色譜剖面圖

由圖2～圖5可知：

1）測線 2標高 1 000～900 m、測線 8標高 960～900 m均呈現出煤系地層的正常電性特征。在上下兩側呈現地層視電阻率呈現較低的特征，為地層富含水的電性特征。

2）測線 3 標高 1 000～900 m、橫向 30～120 m處，視電阻率呈現低阻特性，推斷含水地層為導水通道，砂巖水與奧陶系含水層可能通過該通道存在水力聯系。

3）測線 7標高 980～900 m、橫向 100～200 m 處，視電阻率呈現異常，主要為存在低阻特性的水力聯系的導通構造，在煤層下方又存在明顯的高阻特性，推斷存在某種地質構造溝通上下巖層。

圖3 測線8視電阻率色譜剖面圖

圖4 測線3視電阻率色譜剖面圖

3.4.2 水平切面視電阻率變化規律

標高900、920、950 m的水平切片圖如圖 6～圖8。橫軸東向為正（與回風大巷掘進方向同向），縱軸向北為正值。

由圖6可以看到，1處明顯的低阻異常。異常區域異常的范圍大致在橫向120～230 m之間，縱向140～200 m之間。此外該區域存在大面積的低阻（小于15 Ω·m），如圖黑色圈定區域，含水性較強，推斷為奧灰水較為發育。

圖7為回風大巷所處水平的切面，存在3處低阻異常。異常1推斷由巷道充水所致；異常2區域推斷為導水斷裂帶；異常3區域含水性較強，與900 m標高的強異常位置對應，推斷在此處上下有連通的可能。

圖5 測線7視電阻率色譜剖面圖

圖6 900 m水平切片視電阻率成像圖

圖7 920 m水平切片視電阻率成像圖

圖8 950 m水平切片視電阻率成像圖

圖8 存在1處低阻異常。處于橫坐標25～200 m、縱坐標20～150 m，推斷為不良地質構造通道煤層頂底板含水層所致，且該段接近砂巖含水層。

由圖6～圖8可以得知，煤層上下兩切面的積水異常區域面積較大，而煤層所在水平切面異常區域分散且數量多。由此說明該區域存在疑似陷落柱類型的地質構造溝通上下含水層。通過鉆孔勘探取芯，證明該地質構造確為陷落柱。

3.5 積水區域的圈定

通過采用EH4大地電磁法進行勘探后，根據得出的探測剖面成果，推測積水區域為：南北向D3～D7測線、東西向20～220 m測點、標高950～900 m所圈定的范圍，可得出積水區的范圍。另外通過現場探水鉆孔的實際探測，積水區范圍與上述所圈定的積水區域基本相吻合，可看出EH4在煤礦巷道掘進積水區域勘探中的應用可靠、有效。

4 結論

1）通過采用EH4大地電磁法對回風大巷迎頭進行勘探，根據地層電性異常特征及地質資料，預測了積水區域的大體形態。并通過與鉆探工程的對比分析，表明EH4大地電磁法在水害勘探中的應用是十分可靠、有效的。

2）通過綜合分析各測線及水平切面的視電阻率圖，并根據含水異常區在視電阻率圖上表現為電阻率低的特點，即低阻異常區，最終圈定了巷道施工迎頭的積水分布范圍。

3）通過探測并結合煤系含水地層的特點，從而推測巷道施工中涌水是由于構造的存在而導通奧灰含水層所致，由此為采取合理的防治水方案提供了理論基礎。