淺談直流電法不同施工裝置探測小窯空巷的有效性

戴香華

（大同煤礦集團有限責任公司地質勘測處 山西大同 037003）

0 引言

同煤集團部分礦井在巷道掘進過程中，存在同層、頂板上覆、底板下伏小窯采空區，小窯破壞情況不清，往往給安全生產帶來嚴重隱患。現探測小窯空巷的物探手段主要以電法勘探為主，然而電法勘探受制于井下全空間及金屬、電纜干擾等環境影響，探測效果存在爭議。因此，從實際出發，針對集團公司各礦采掘現狀，開展直流電法探測小窯空巷的有效性試驗。從施工方法、參數選取、干擾因素分析、數據處理解釋等多個環節進行分析、總結，指導下一步物探工作[1]。

1 試驗內容

（1）基于已知小窯巷道資料，根據直流電法試驗結果分析近距離采空區地球物理特征相較于正常區域是否存在明顯電性差異；

（2）直流電法干擾因素，四極測深極距的選取與現場環境的影響因素分析（如巷道積水、金屬支護、機組、電纜等）；

（3）試驗儀器裝置形式、不同試驗點背景值不同的原因分析；

（4）綜合分析，對比鉆孔測井資料，分析煤層及采空區視電阻率值，確定異常閾值，劃分異常區[2]。

2 井田區域地球物理特征

本次勘探區域煤層主要為大同煤田侏羅系煤層和石炭系煤層，不同的巖層具有不同的電性，該區地層電性差異較為明顯，煤系地層的平均電阻率值比非煤系地層的電阻率值高，構成一個電性層；煤系地層基底奧陶系灰巖電阻率最高，構成本區又一良好的電性標志層。采空區若不充水，呈現高視電阻率低電位反映，一般煤巖層視電阻率為100 Ω·m～200 Ω·m，煤層采空后視電阻率呈現為500 Ω·m左右，以上較大的電性差異為本次直流電法試驗工作提供了良好的地球物理前提條件。

3 施工方法及工程量

本次試驗采用井下直流電法“三點源”超前探測及對稱四極測深法對小窯空巷進行探測，為保證探測效果同時對環境影響因素進行有效判別，施工前先開展了先期儀器穩定性試驗工作。

3.1 儀器穩定性試驗工作

在云岡礦410-4 皮帶巷標號5 m 處點使用YDZ（A）直流電法儀器，采用同一參數進行反復觀測5次得出以下數據（表1），通過計算5組采樣數據的相對均方誤差為3.1%，其誤差小于電法勘探規范規定的5%，判斷儀器穩定性滿足工作需要。

表1 云岡礦410-4皮帶巷重復觀測5次數據表（單位：Ω·m）

3.2 現場環境因素影響試驗

在云岡礦410-4 皮帶巷標號15 m 處點使用YDZ（A）直流電法儀器，分別將電極布設在煤壁金屬支護上，將電極布置在煤壁中，將電極布置在相對潮濕積水環境中，得出以下數據（表2），通過比較三者視電阻率值變化大小，布置在積水區視電阻率變化更大，對原始數據采集影響最大，其次布置在金屬支護上，反演的視電阻率值變化較大，對原始數據采集影響其次，所以正式施工時應將電極布置在煤壁中位置，保證原始數據質量。

表2 云岡礦410-4皮帶巷電極布置在不同地段的數據表（單位：Ω·m）

4 數據處理及成果解釋

本次數據處理軟件采用儀器自帶YDZ（A）軟件系統，結合Golden Software suffer8進行數據處理解釋。

（1）數據處理前，在原始資料可靠的基礎上進行分析，質量不合格或未經檢查的資料，不得作為解釋推斷的依據；

（2）數據處理、解釋和成果圖必須依照其相應的施工方進行綜合對比分析，做出結論；

（3）數據處理解釋工作應遵守從已知到未知、從點到面、從簡單到復雜、從局部到全區的原則；

（4）解釋成果圖件編制一般應包含有剖面圖和平面圖兩類；

（5）最終通過過勘探區域內已知地質資料及鉆孔測井資料，對比分析探測成果是否準確、有效。

5 試驗成果內容

5.1 云崗礦12#層410-4皮帶巷探測

5.1.1 410-4皮帶巷地質概況

410-4皮帶巷距51045巷107 m，煤厚平均4.07 m，同層存在小窯破壞區。現410-4 皮帶巷距22 號測量點3 m 處施工一個探孔，17 m 探通小窯巷道，距22 號測量點10 m 處施工一個探孔，26.5 m 處探通無水，鉆探資料可靠。因此，選取了410-4 皮帶巷進行側幫直流電法對稱四極測深探測。

5.1.2 施工方法及完成工作量

本次試驗施工方法采用直流電對稱四極測深裝置布置1條測線：1號測線A0從3 m、5 m、7 m至29 m，點距為5 m，探測長度20 m，共完成70個物理點。

5.1.3 1號測線解釋成果

圖1 410-4皮帶巷1號測線四極測深探測成果圖

根據勘探范圍反演的視電阻率值進行統計分析，全區視電阻率值平均為555.7 Ω·m，標準偏差為247.5 Ω·m，劃分高阻異常區背景值為638.2 Ω·m，從1 號測線探測成果圖分析（見圖1），共解釋兩處高阻異常區，1號異常區位于5 m點處附近（22號測量點）視電阻率值在708 Ω·m～930 Ω·m，最大異常區出現在縱向深度8 米至20 m 范圍，分析為小窯巷道引起的高阻電性反映；2號異常區位于20 m點處附近，分析為小窯巷道引起的高阻電性反映。

5.1.4 綜合解釋

圖2 410-4皮帶巷1號測線綜合探測成果圖

依據1號測線綜合探測成果圖并結合鉆探資料分析解釋，見圖2，1 號、2 號異常區推斷為小窯巷道采空區，符合高阻反映的電性特征，已知鉆探資料顯示距22號測量點3 m施工了一個鉆孔，17 m探通小窯巷道，綜合解釋1 號高阻異常區與實際鉆探資料基本吻合。2號異常區附近未施工鉆孔，要求礦方進行鉆孔驗證；2號測線采用三極超前探測效果差。

5.2 小峪礦8104切巷三極超前探測及四極測深探測

5.2.1 8104切巷地質概況

8104 工作面設計長度850 m，煤厚平均3 m 左右，8104 切巷已掘 102 m，剩余 58 m 與 2104 巷貫通，因此2104 巷、8104 切巷可作為已知空巷，開展了本次直流電法三極超前探測試驗和四極測深探測試驗。

5.2.2 8104切巷三極超前探測分析解釋

根據勘探范圍反演的視電阻率值進行統計分析，全區視電阻率值平均為505.3 Ω·m，標準偏差為169 Ω·m，劃分高阻異常區背景值為560 Ω·m，從三極超前探測成果圖分析，見圖3，8104 切巷102 m 處掘進迎頭前方65 m 范圍未發現明顯高阻異常區。依據已知地質資料進行綜合分析，成果圖對前方58 m處2104空巷未發現明顯高阻異常區，與已知空巷資料不吻合。

圖3 8104切巷三極超前探測成果圖

5.2.3 2104巷四極測深探測成果解釋

從2104 巷四極測深探測成果圖分析（見圖4）,2104 巷 0 m 處縱向深度 56 m～61 m 出現一高阻區，依據8104巷已知地質資料揭露顯示，依據已知地質資料進行綜合分析，該高阻異常為已掘8104切巷空巷電性反映，與實際吻合。

圖4 2104巷四極測深探測成果圖

6 結語

通過以上兩個礦采用直流電法探測已知采空巷道試驗成果綜合分析，得出以下結論。

（1）采用直流電法四極測深探測采空區有一定效果，橫向分辨率高，垂向上電性變化明顯；

（2）采用直流電法三極超前探測采空區效果不好，對小窯空巷無明顯反應；

（3）探測采空區應盡量選用人工穩定電場的直流電法，但井下全空間的影響會無法精準定位，需要特別高的技術水平，排除各個方向的干擾；

（4）不同試驗點背景值及煤巖層電性特征不同，所以不同勘探區異常區劃分的背景值應結合實際勘探區的測井資料進行校正[3-4]。