電法探測煤礦頂板巖層富水性的應用

王 程

中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西 西安 710000

1 引言

鄂爾多斯西部煤田石炭系煤層區域，根據鉆孔揭露，井田含水層自上而下依次為：第四系松散孔隙含水層（Q）、第三系下部砂礫石層含水層（N2）、二疊系石盒子組砂巖承壓含水層（P1sh）、二疊系山西組砂巖含水層（P1s）、石炭系太原組砂巖含水層（C3t）、奧陶系石灰巖巖溶水。9號煤層為石炭系太原組煤層，煤層回采的含水層為二疊系山西組砂巖含水層，該含水層主要存在二層砂巖含水層。

近年來采用多種物探方法探測煤層頂底板巖層富水性，但在縱向高度上定位略有不足。筆者經過研究，直流電法在探測富水性具有其獨特性和精準性，將該方法應用于煤礦頂板含水層富水性的探查取得了較好的效果。

2 方法技術簡介

礦井高分辨電測深是自上世紀六十年發展起來，在國際上廣泛應用，并在近十幾年煤礦防治水方面取得長足發展的煤礦物探新技術。該技術是采用測量地層中建立特定電場的分布規律，對含水、導水構造進行探查，對地下水體反映敏感，效果良好。

礦井高分辨電測深屬全空間直流電法。它以巖石的電性差異為基礎，在全空間條件下建場，使用全空間電場理論，處理和解釋有關礦井水文地質問題。與地面電法不同的是礦井高分辨電測深是以全空間電場分布理論為基礎，在地下巷道中進行電法測量工作，地下電流通過布置在巷道內的供電極在巷道周圍巖層中建立起全空間穩定電場，該穩定場特征取決于巷道周圍巖石的電性特征及其賦存狀態。

本次礦井高分辨電測深技術使用三極測深法，針對探測巷道頂板含、導水構造裂隙而設計。

井下采集的第一手資料是反映巖石電性特征的視電阻率（單位：歐姆米），對井下采集的原始數據進行處理和解釋，具體步驟如下：

（1）數據整理。對所測視電阻值進行全空間校正，巷道空間校正，同時形成視電阻率曲線圖，視電阻率等值線剖面圖；

（2）提取視電阻率中的含水信息。解釋含水、導水構造及潛在導水、突水通道，并分析構造異常體的含水、導水規律。

（3）提取視電阻率中的巖石電性分層信息。用于解釋工作面頂、底板隔水層厚度、含水層厚度、含水層原始導升高度。

（4）立體成圖。對不同深度進行類似“CT”成像的剖面、水平切片，分離出電法含水異常區域，可得到含水（或不含水）視電阻率低阻（高阻）異常剖面圖、平面圖，進行立體解釋。

3 工程實例

工作面所采煤層為9號煤層，為石炭系太原組，回采受影響的為二疊系山西組砂巖含水層，含水巖系由細—粗粒砂巖組成，而以粗碎屑巖占比例大。含水層平均厚度18.37m。

據鉆孔抽水試驗資料，該含水層水頭較高，水位埋深8.59m，降低水位111.06m，單位涌水量0.00197L/s·m。在一些鉆孔處煤系地層直接與新近系下部砂礫石層含水層接觸，煤礦開采中涌水量增大，故富水性不均一，平面上差別較大。

設計采用高分辨直流電法對工作面頂板富水性進行探查，在工作面兩順槽頂板施工，每10m一個點，極距范圍為20～100m之間，探查工作面頂板70m范圍內富水性，為工作面頂板防治水工作提供參考資料。

首先得到成果時視電阻率斷面圖，若地層不受富水區或含導水構造影響，煤系的電阻率有序變化，在視電阻率斷面圖上等值線變化穩定，呈似層狀分布；當存在低阻富水區或含導水構造時，異常處電阻率值降低，等值線分布表現為扭曲、變形或呈密集條帶等形狀。

為了更加突出異常，對視電阻率-深度等值線斷面圖進一步處理，得到視電阻率斷面異常圖。

然后分析鉆孔資料顯示煤層頂板上35～45m之間為砂巖層，因此抽取9煤層頂板上40m附近平面圖分析低阻異常區分布情況（見圖1）。

圖1 電法成果低阻異常平面圖

圖中用藍色表示相對低的電阻率值。發現A、B、C和D號異常區域。A號異常主要位于工作面運輸順槽200～400m附近，異常向工作面延伸有限，異常分布范圍大，異常強度中等；B號異常位于工作面運輸順槽500～650m附近，異常向工作面延伸有限，異常分布范圍大，異常強度中等；C號異常主要位于工作面回風順槽50～150m附近，異常向工作面延伸，異常強度中等；D號異常主要位于工作面回風順槽700～900m附近，異常向工作面延伸，異常強度相對中等。上述四個異常區并未貫穿整個工作面，無明顯異常條帶性，說明此層位賦水性不均一。

經過鉆探驗證，在縱向高度40m附近A、B和C出現3～5m3/h出水在D區域出現20m3/h的出水，總放水量超過1萬m3。工作面安全回采，未出現頂板出水現象，證實物探成果的準確率

4 結論

1、采用直流電法能探測煤層頂板含水層的富水性。

2、對直流電法成果需采用異常提取和切片技術的處理手段，能跟對富水區跟精準的定位。

3、不同物探方法對地質異常響應特征不盡相同，需對工作面水文地質條件充分分析的基礎上，選用適用的物探方法。