直流電法在注漿中探查與應用

李 強

（山東能源肥礦集團，山東 肥城 271608）

直流電法具有抗干擾能力強，施工效率高，能直接反映地電體的特征等特點，其豐富的裝置類型和成熟的理論技術能夠滿足不同類型的勘察任務。為了檢驗注漿的效果，本文以白莊煤礦9801 工作面為研究區域，利用直流電法探測9801 工作面注漿前后底板五灰、奧灰相對富水情況[1-5]，為煤礦安全生產提供保障。

1 工程實例

1.1 工區概況

白莊煤礦9801 工作面位于肥城市沙莊村以南，地面整體為一片向東北方向緩抬升的農田，工作面范圍內有一條小路。地面標高：+81.33～ +85.85 m。該區域為-430 m 水平9800 采區東翼首采工作面，位于9800 東翼泄水巷以南，9803 工作面（形成通風系統）以西，八采區泄水（回風）巷、9800 集中皮帶以東。該工作面上覆8 煤層采空區，相鄰工作面8803、8805、8807 工作面于2014 至2016 年回采結束，8 煤層采空區與9 煤層間距為5.8～9.6 m，平均7.8 m。8 煤層采空區以上30.1 m 為7 煤層采空區，9 煤層下方4.5 m 為10 Ⅱ煤層。

1.2 水文地質條件

9801 工作面煤巖層整體呈單斜構造，走向86°～113°，傾向356°～23°。工作面煤巖層傾角較平緩，在1°～6°之間，平均3°。工作面回采范圍內巷道揭露兩條不導水正斷層，落差0.6～0.8 m，回采過程中有可能揭露其他隱伏構造。

該工作面上覆7、8 煤層均已回采完畢。8 煤層工作面回采過程中證實上覆7 煤層采空區無老空積水；上覆8煤層回采結束后，出現滯后出水一處（8807工作面），最大水量為90 m3/h，經注漿封堵后殘流水量為20 m3/h。9801 工作面注漿改造期間，對上覆8 煤層采空區殘流水進行封堵，現無殘流水。8煤層采空區面后設有專用泄水巷，實現自然泄水，9801 工作面不受老空水威脅。工作面回采范圍內掘進巷道揭露兩條落差分別為0.6 m 及0.8 m 的不導水正斷層，附近100 m 范圍內無導水構造，不存在巷道或者回采破壞斷層防水煤柱現象。9801 工作面回采期間不受斷層水害威脅。

該工作面五灰含水層厚2.2～7.0 m，平均4.1 m；上距9 煤層底板24.9～36.9 m，平均29.2 m。注漿改造前五灰含水層最大突水系數為0.121 MPa/m。奧灰與五灰層間距為4.1～9.6 m，平均6.2 m；上距9煤層底板33.2～47.9 m，平均39.5 m。注漿改造前奧灰含水層最大突水系數為0.148 MPa/m。

1.3 地球物理特征

9801 工作面底板巖層主要由粉砂巖、砂巖、泥巖、灰巖和煤層等組成，成層性較好，其電阻率與巖性對應，具有較好的規律性，不同巖層電阻率存在較明顯差異。如果巖層破碎并富水，則其導電性增強，電阻率降低。下伏的五灰、奧灰等灰巖含水層，不富水時電阻率很高，如果巖溶裂隙發育且富水，灰巖的電阻率將大幅度降低。因此應用直流電法技術進行底板富水性探查具有較好的物性條件。

2 直流電法物探布置

2.1 基本原理

直流電法是以煤巖層之間的電阻率差異為物理前提，在了解煤巖層電阻率及其影響因素的基礎上，開展對礦井的電法探測工作[1]。其原理是將直流電源的兩端通過埋設地下的兩個電極向大地供電，在地面以下的導電半空間建立起穩定電場[2-4]。該穩定電場的分布狀態決定于地下不同電阻率的巖層（或礦體）的賦存狀態，從地面觀察穩定電場的變化和分布，可以了解地下的地質情況[5]。

2.2 施工設計

本次直流電法探查數據采集在工作面軌道、運輸順槽進行，注漿前后，分別在巷道底板依次布置電極和電法測線，采用AM 裝置，電極距5.5 m，共布設2 站，第一站布設電極52 個，第二站布設電極52 個，共布設電極104 個，測線總長度561 m。每次數據采集都進行了2 次以上的重復采集，保證了數據采集質量。

3 結果分析

直流電法數據采集工作完成后，將采集到的數據進行整合與處理，得到注漿前后視電阻率剖面圖（圖1、圖2）。為了更直觀地了解各區域巖石視電阻率的變化情況，坐標系選取9801 工作面軌道順槽K4 點后5.5 m處為平面直角坐標系原點（0，0），沿9801 軌道順槽方向指向9801 切眼為X 軸正向，垂直9801 軌道順槽指向9801 運輸順槽為Y 軸正向，在此基礎上來觀察注漿前后異常區的變化。

圖1 注漿前工作面切片圖

圖2 注漿后工作面切片圖

注漿前，五灰段相對低阻區以視電阻率值小于30 Ω·m 為基礎圈定，分析得出該工作面五灰視電阻率相對低異常區3 個；奧灰段相對低阻區以視電阻率值小于35 Ω·m 為基礎圈定，分析得出該工作面奧灰視電阻率相對低異常區3 個。分析如下：

五灰異常區如圖1（1）所示，其中1 號異常區位于X=18～81 m、Y=6.5～33 m，對應于9801 軌道順槽導線點K5 點前10 m 到K6 點后28.5 m 之間，長度約63 m，視電阻率值＜30 Ω·m。

2 號異常區位于X=79～94 m、Y=68～84 m，對應于9801 運輸順槽導線點C13 點后11.5 m 到C13點后26.5 m之間，長度約15 m，視電阻率值＜30 Ω·m。

3 號異常區位于X=140～192 m、Y=11.5～84 m，對應于9801 運輸順槽導線點C12 后1 m 處到C10點之間，長度約52 m，視電阻率值＜30 Ω·m。

奧灰異常區如圖1（2）所示，其中1 號異常位于X=19.5～82 m、Y=4 ～35.5 m，對應于9801 軌道順槽導線點K5 點前8.5 m 處到K6 點后29 m 之間，長度約62.5 m，視電阻率值＜35 Ω·m。

2 號異常區位于X=78～94 m、Y=68～84 m，對應于9801 運輸順槽導線點C14 后19.5 m 處到C13點前12 m 之間，長度約16 m，視電阻率值＜35 Ω·m。

3 號異常區位于X=136～199 m、Y=8.5～84 m，對應于9801 運輸順槽導線點C12 點后6 m 處到C10 點前6.5 m 之間，長度約63 m，視電阻率值＜35 Ω·m。

總體來看異常區位于X=18～91 m、Y=4～35.5 m；X=78～94 m、Y=68～84 m；X=136～199 m、Y=8.5～84 m 范圍內，視電阻率值相對低的范圍較大。

注漿后，五灰段相對低阻區以視電阻率值小于15 Ω·m 為基礎圈定，分析得出該工作面五灰視電阻率相對低異常區2 個；奧灰段相對低阻區以視電阻率值小于24 Ω·m 為基礎圈定，分析得出奧灰視電阻率相對低異常區1 個。分析如下：

五灰異常區如圖2（1）所示，其中1 號異常區位于X=13～108 m、Y=7～56 m，對應于9801 軌道順槽導線點K5 點前15.5 m 到K6 點后55 m 之間，長度約108 m，視電阻率值＜15 Ω·m。

2 號異常區位于X=145.5～171 m、Y=39.5～80.5 m，對應于9801 運輸順槽導線點C12 前4.5 m 處到C11 點前15 m 之間，長度約25.5 m，視電阻率值＜15 Ω·m。

奧灰異常區如圖2（2）所示，該異常區位于X=30～118 m、Y=9～67 m，對應于9801 軌道順槽導線點K5 點后1.5 m 處到M6 點后10.5 m 之間，長度約88 m，視電阻率值＜22 Ω·m。

注漿后，異常區總體位于X=13～118 m、Y=7～56 m；X=145.5～171 m、Y=39.5～80.5m 范圍內。工作面內視電阻率較低的范圍明顯減小。

對比注漿前后工作面切片圖，可以發現五灰、奧灰低阻異常區明顯減少，并且工作面總體視電阻率值明顯降低，說明注漿后巖層電阻率增大。

4 結論

（1）注漿前，對研究區域進行直流電法探測可以有效探測出底板巖層相對賦水情況，從而指導注漿工作的開展，極大地提高注漿效率。

（2）注漿后，通過對比注漿前后視電阻率的變化，發現注漿處理后研究區域電阻率值顯著增強，低阻異常基本消失，說明此次注漿對工作面底板改造效果顯著，注漿效果較好。

（3）實踐證明，應用直流電法探測技術，檢測工作面底板含水層注漿改造質量，發現注漿隱患，對隱患區域進一步進行注漿加固，確保注漿改造效果，防止底板五灰、奧灰突水，為煤礦安全生產提供了保障。