音頻電透視法在37221-1綜采工作面富水性探測(cè)中的應(yīng)用

魏仕賢

摘要：本次采用音頻電透視探測(cè)施工地點(diǎn)為37221-1綜放工作面，為確保37221-1工作面安全回采，采用128HZ、16Hz兩個(gè)頻段的音頻電透視對(duì)37221-1工作面頂板和37121-1工作面采空區(qū)0-30m、30-70m范圍對(duì)富水性進(jìn)行探測(cè)，最后通過層位成果圖對(duì)比判斷950水平各工作面采空區(qū)和37121-1工作面采空區(qū)下順槽積水區(qū)域，為采空區(qū)積水探放和37221-1工作面安全回采提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：音頻電透視;富水性;導(dǎo)通性

1.礦井概況

東峽煤礦位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭市境內(nèi)，地處華亭煤田東南部，隸屬華亭市東華鎮(zhèn)管轄，礦井為斜井開拓、暗斜井延伸、多水平開采，采用傾斜分層走向長(zhǎng)臂綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。地理位置位于華亭城東1.8km處，東距安口鎮(zhèn)20km，南距寶雞市157km，西南距天水市159km，北距平?jīng)鍪?4km，均有公路相通。礦井水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，涌水量為25-50m3/h，主要水源為生產(chǎn)用水、灌漿水、煤層頂?shù)装宓诙鹾畬印⒌谝蝗鹾畬又械乃渲泄酀{水對(duì)礦井安全回采威脅最大。

2.37221-1綜放工作面概況

37221-1工作面位于875-940階段，工作面平均長(zhǎng)度為120m，斜上部為35119-1、35219-1工作面采空區(qū)，正上方為37121-1工作面采空區(qū)，煤巖層產(chǎn)狀為266°-268°∠22°-34°，構(gòu)造為一傾向南西，傾角22°-34°的單斜構(gòu)造。煤6層位于第二弱含水層和第一弱含水層之間，第二弱含水層主要為河流相、湖泊相交替沉積，厚72-180m，該含水層為一弱含水層，單位涌水量為g=0.00096L/m·s、滲透系數(shù)k=0.00104m/d。第一含水層廣泛分布于井田內(nèi)及其外圍，為煤系地層沉積基底，單位涌水量g=0.0.0018L/m·s、滲透系數(shù)k=0.0025m/d，在水力聯(lián)系上均較差。

3.主要工程

本次施工地點(diǎn)為37221-1綜放工作面上、下順槽（南段），工作面法向老頂為第二弱含水層，37221-1下順槽西部為37121-1綜放工作面采空區(qū)下順槽，為確保37221-1工作面安全回采，采用音頻電透視法對(duì)37221-1工作面頂板和37121-1采空區(qū)進(jìn)行富水性探測(cè)，探測(cè)深度不低于70m。

4.基本原理

利用各種巖石之間存在電性差異的規(guī)律來解決地質(zhì)及水文地質(zhì)問題。

4.1地電模型及點(diǎn)源場(chǎng)的分布特征

礦井電透視穿透法以全空間電場(chǎng)分布理論為基礎(chǔ)，對(duì)于均勻全空間，點(diǎn)電源產(chǎn)生的電場(chǎng)分布特征，可用如下關(guān)系式表達(dá)：

根據(jù)鏡像法，可以求出全空間內(nèi)任意點(diǎn)的電位表達(dá)式為：

式中：Ui，j為第i層的點(diǎn)源在第j層的電位;L供電點(diǎn)至觀測(cè)點(diǎn)的距離;ρi為第i層的電阻率值;kn（i，j）=F（L，d，θ，ρm）為反射系數(shù)函數(shù)。

4.2含水構(gòu)造對(duì)點(diǎn)源場(chǎng)的電位影響

含水構(gòu)造可以模擬為局部地質(zhì)體，如圖2-2c所示。

對(duì)于井下局部地質(zhì)體的附加場(chǎng)，可用導(dǎo)電球來說明問題。即電流場(chǎng)中導(dǎo)體的異常可以近似地看作電偶極子的異常。其表達(dá)式為：

則低阻良導(dǎo)體產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電位，如圖2-2a所示。對(duì)于井下近似三層地電模型來說，其點(diǎn)源場(chǎng)電位表達(dá)式為：? ? ? ?U=U0+Un（10）

式中：U0為無局部地質(zhì)體時(shí)的電位分布;Un為局部地質(zhì)體的異常。

根據(jù)（5）、（10）式反映出異常曲線（U/U0）是以點(diǎn)源A與地質(zhì)體連線的延線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱曲線，如圖2-2b所示。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(fā)面的距離等有關(guān)。異常體規(guī)模（體積與含水強(qiáng)弱的綜合反映）越大、與圍巖的電性差異越大、距收、發(fā)面距離越小，異常幅度就越大;反之則越小。圖2-2c為頂板上存在含水體與不含局部水體等兩種條件下電位測(cè)量曲線的比較示意圖。

5.施工布置

本次音頻電透技術(shù)探測(cè)，自37221-1工作面的切眼位置開始，分別在上順槽、下順槽編點(diǎn)為1#，以10m為點(diǎn)距編號(hào)，上順槽1#～61#，下順槽1#～54#。發(fā)射點(diǎn)間距為50m，對(duì)應(yīng)巷道進(jìn)行扇形掃描接收。設(shè)計(jì)本次物探工作在上順槽、下順槽頂板分別布置發(fā)射點(diǎn)12個(gè)，接收點(diǎn)分別為上順槽61個(gè)，下順槽54個(gè)。觀測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2-4。

a.軸向單極——偶極法? ? ? ? b.井下電穿透測(cè)量方式

6.參數(shù)選擇

礦井音頻電透視法使用YBT32礦用并行電法透視儀，本次勘探設(shè)置128Hz、16Hz兩個(gè)頻點(diǎn)，結(jié)合低、高頻的特點(diǎn)，采用128HZ探測(cè)頂板0-30m范圍內(nèi)富水性，16Hz勘探30-70m范圍內(nèi)富水性，最后通過層位成果圖對(duì)比判斷950水平采空區(qū)和37121-1采空區(qū)下順槽積水區(qū)域。

7. 資料處理

本次探測(cè)采用礦井音頻電透視層析成像。利用穿過采煤工作面內(nèi)的電位降數(shù)據(jù)，重建采面電性變化圖像圈定底電阻區(qū)域。

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

式中：（x，y）為電性參數(shù)（是x，y的位置函數(shù)）;C為調(diào)節(jié)系數(shù)。

如圖4-1所示。假定第j條射線穿過I個(gè)單元，則第j條射線上的電位降表達(dá)式為：（13）

式中：rj，i分別為第j條射線位于第I單元內(nèi)的長(zhǎng)度（各單元序號(hào)是x，y的位置函數(shù)）;δj，i為第I個(gè)單元內(nèi)的電性參數(shù)。

將所有各射線建立方程，則有：△U=x·δ? （14），采用多次迭代的近似值法來計(jì)算σ的其近似解。

8. 物探成果

經(jīng)過處理獲得物探成果圖件，將物探成果和已知的地質(zhì)資料相結(jié)合，從點(diǎn)到線，由線到面，由淺入深的原則進(jìn)行綜合分析得出地質(zhì)結(jié)論。

一般而言，在地層巖性切向相對(duì)均一的條件下，同一頻率建立的電場(chǎng)所獲得的視電導(dǎo)率值越高，說明地層的綜合導(dǎo)電性越好，含水也就越豐富。根據(jù)統(tǒng)計(jì)解釋原則，獲得頂板存在2個(gè)異常區(qū)，編號(hào)為YC1#、YC2#（圖4-1紅色圈定區(qū)域）。

9.結(jié)論分析

東峽煤礦37221-1工作面音頻電透視勘探結(jié)果存在2個(gè)電性異常區(qū)域，分析如下：

1.30～70m電導(dǎo)率擬斷面圖大部分區(qū)域電導(dǎo)率值高于閾值，表現(xiàn)為相對(duì)低阻、高電導(dǎo)，且相對(duì)均一連續(xù)，結(jié)合地質(zhì)情況，在平面圖中標(biāo)記的YC2#位置富水性較為明顯;0-30m電導(dǎo)率擬斷面圖表現(xiàn)為局部相對(duì)低阻、高電導(dǎo)，進(jìn)而局部區(qū)域富水，且在平面圖中YC1#位置較為明顯，主要為采空區(qū)富水、裂隙少量富含水。

2.YC1#異常區(qū)位于工作面退尺20～120m，傾向上貫穿工作面，范圍相對(duì)集中，異常幅度相對(duì)較大，分析判定該區(qū)為37121-1采空區(qū)積水。

3.YC2#異常區(qū)位分布在工作面外段，位于工作面退尺20-100m傾向上貫穿工作面。電導(dǎo)率相對(duì)較高、電阻率相對(duì)較低、異常幅度較大，分析判定該頂板含水層富水。

參考文獻(xiàn)：

[1]順槽掘進(jìn)工作面地質(zhì)說明書.

[2]875-940階段工作面布置剖面圖.

[3]礦井采掘工程平面圖.

[4]礦井地層綜合柱狀圖.

[5]37221-1工作面設(shè)計(jì)說明書.