張浩楠

（烏審旗蒙大礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017307）

0 引言

頂板水害一直是制約煤礦安全生產的重大災害之一，納林河二號井的主要水害威脅為頂板河流相沉積砂巖含水層，對礦井安全生產影響較大。正常情況下，煤系地層在橫向與縱向上的物性變化都有規律可循。當有構造發育時，一方面會出現層位錯動，另一方面是裂隙充水，即局部出現明顯的含導水構造。由于礦井裂隙水的導電性好，使含導水構造在電性上表現出與圍巖較大的差異，從而打破了原始地層電性在縱向與橫向上的變化規律。這些變化為以導電性差異為應用基礎的電磁法探測技術提供了良好的物性前提。

目前國內外針對工作面隱蔽突水致災源探查的方法主要有直流電法以及音頻電透視法等，電磁類方法主要根據煤層及工作面頂底板巖層電學性質差異進行探測。直流電法勘探受井下空間限制，探測深度一般在100m以內，礦井瞬變電磁法探測的有效深度一般不超過110m，因此對工作面寬度大于250m的超寬工作面頂板含水層富水性異常的探測主要采用以透視為主的物探方法。音頻電透視法也是直流電法的分枝，其特點為對低阻異常體反映靈敏、信息采集量大和探測距離遠、變頻可控、施工效率高。音頻電穿透能夠探測到工作面煤層內部及工作面頂底板一定范圍內巖層的隱蔽導水構造及富水性異常區，最大探測深度320m。

該文以烏審旗蒙大礦業有限責任公司納林河二號礦井31116工作面頂板音頻電透視為例，加以鉆探結果驗證，證明音頻電透視法對頂板富水性探測具有很好的效果，更能適應復雜地質條件下的探測需求。

1 超寬工作面頂板富水性探測重點與難點

31116工作面設計走向長1900m，面寬301m（屬于超寬工作面）。據31116工作面平面位置與勘探鉆孔之間的距離，取MD43、NL14、MD09、NL24、MD13鉆孔資料進行統計。據相鄰工作面導水裂縫帶高度探測結果分析，該面采后直接充水含水層主要為3-1與2-1煤層之間的延安組三段含水層和2-1上煤層頂板直羅組一段含水層。從圖1可以看出3-1煤與2-1煤層之間延安組三段含水層和2-1煤頂板直羅組一段含水層分布不連續，對比性差，且在NL24鉆孔以南區段鉆孔未見砂巖含水層，說明該區段砂巖分布不穩定，且主要呈透鏡體展布特征。

圖1 31116工作面頂板煤巖對比圖

由于燕山運動的影響，地層整體被抬升，將延安組三段部分剝蝕。直羅組沉積時期區域內主要發育為河流相沉積，尤其以曲流河為主，底部發育辮狀河，向上變為曲流河沉積。多種復雜沉積相作用造成工作面頂板覆巖多沉積旋回，巖層槽狀交錯、平行、沖刷面等層理較為發育，導致巖層間不整合接觸帶較為發育。復雜沉積環境相應造就了復雜的巖相古地貌，同樣導致了工作面頂板覆巖結構的復雜性，也導致了不同巖層富水性的復雜性和同一巖層富水性的不均一性。為了查明砂巖含水層分布特征，為頂板水防治提供科學依據，該文進行了含水層沉積相與富水性特征研究。工作面頂板砂巖含水層分布具有以下特征：沉積相控制砂體的分布及其特征；首采工作面頂板含水層（特別是直羅組下段含水層）存在“水壓高、水量大、分布廣泛”的特點；含水層富水性存在明顯的條帶性和可疏放性。

3-1煤頂板巖層水文地質條件的復雜、不均一使31116超寬工作面頂板疏放水難度大。因此，選用音頻電透視方法對3-1煤頂板含水層富水特征進行快速、有效的探測和圈定，從而對工作面頂板富水區進行重點防治。

2 施工方法與技術

超寬工作面音頻電透視法是在回風順槽和運輸巷同時作業，工作方式和無線電波透視法類似，通過在工作面一側激發低頻電磁波波場，在工作面另一側對煤層頂底板不同區域和位置的電位差進行測量，取得不同路徑范圍內電磁場衰減的差異，通過資料處理反演擬合，計算出工作面內頂底板一定深度范圍內的視電阻率，進行平面或三維成像的一種物探方法。在超寬工作面內以發射點為中心，對工作面內部及頂、底板進行扇形掃描，以此獲取巷道間工作面內及頂、底板中的電場分布規律，達到探測工作面頂板含水層富水性及導水構造異常的目的，如圖2所示。

圖2 超寬工作面音頻電透視扇形掃面方式

為了提高超寬工作面探測區域的覆蓋次數，該次施工選用每50m一個發射點、每10m一個接收點的施工方式，在回風順槽和運輸巷各布置發射點39個（A1、A3…A39），接收點191個（M1、M2…M191）。1個點發射，21個點接收。施工順序為從回風順槽發射，運輸巷接收；從運輸巷發射，回風順槽接收，均由從切眼位置向外順序觀測。該次施工超寬工作面長度為1900m，探測區域為0m～120m。布置音頻電透視檢查點100個，質量檢測工作量占總工作量的6.1%，符合物探施工規范5%的要求。

為了保證該次超寬工作面音頻電透視法探測結果的可靠性，該次施工先對原始數據進行了畸變點剔除和供電電流強度歸一化等預處理；為消除供電電極、測量電極系統裝置形式對探測結果的影響，對探測數據進行了全空間視電阻率計算；為突出供電電極和測量電極間不同深度電性異常體的地電響應特征，進行了按測量電極偏移距抽道集處理。

音頻電透視資料處理的關鍵是正確配置各接收點和發射點空間屬性參數，這是視電阻率計算、抽取道集和電阻率成像的重要基礎。該次31116超寬工作面施工數據處理采用兩種方法：人工交匯法和CT成像法，同時將相關地質資料和音頻電透視法探測成果進行綜合運用，對富水異常區和隱蔽含導水裂隙帶等隱蔽致災因素進行三維可視化建模，得到工作面頂板富水異常區位置的三維模型，直觀地顯示出富水異常區在橫向和垂向上分布情況，為指導煤礦防治水鉆孔施工提供直觀可靠的資料。

3 礦井音頻電透視成果分析

音頻電透視的二維平面圖僅顯示頂板富水區的平面展布和分布區域，無法在垂向上顯示富水異常區范圍，給煤礦防治水設計造成了困難。而將三維反演應用到音頻電透視法數據處理與資料解釋中，實現了工作面頂板富水區分布位置的精細探測，為頂板防治水設計提供了重要依據。

綜合31116超寬工作面音頻電穿透異常特征，并結合疏放水鉆孔資料及水文地質資料，得出的對各異常區性質的分析如下：在31116超寬工作面頂板發現5處富水異常區域，從回撤通道向切眼方向標號依次為1、2、3、4、5（如圖3所示）。其中1號富水性異常在31116工作面頂板上45m～110m發育，范圍較小，為相對富水性弱異常，推斷1號異常區主要為2-1煤頂板細砂巖含水層和直羅組底部含水層富水性增強所致；2號主要分布在工作面頂板上60m～120m，富水集中區域在運輸巷頂板上方120m范圍，整體富水性幅值為中等，推斷2號異常區主要為直羅組底部砂巖含水層局部富水性增強所致；3號富水性異常主要分布在頂板上方65m～115m，范圍較小，分布比較分散，整體富水性幅值比較弱，推斷3號異常區主要為2-1煤頂板細砂巖含水層和直羅組底部砂巖含水層局部富水性增強所致；4號異常區主要分布在頂板上70m～120m，分布范圍較小，異常呈條帶狀分布，富水性幅值相對較強，推斷4號異常區主要為直羅組底部砂巖含水層局部厚度變厚、富水性增強所致；5號異常區主要分布在頂板上30m～120m，分布范圍比較大，異常呈條帶狀分布明顯，富水性異常幅值為中等，推斷5號異常區主要為3-1煤頂板細砂巖含水層和2-1煤頂板細砂巖含水層厚度增厚、富水性增強，直羅組底部砂巖含水層富水性增強共同所致。

圖3 31116超寬工作面頂板含水層富水性異常三維模型圖

該次頂板探測施工期間及施工結束后，礦方在31116工作面兩順槽內進行了疏放水鉆孔施工，根據終孔水涌水量、鉆孔終孔水壓和音頻電透視探測異常區的對應關系，如圖4所示，在1250m～1920m附近，終孔涌水量均大于10m3/h，特別是5號異常區附近終孔最大涌水量達到16.6m3/h。在4號和5號異常區附近，終孔涌水量出現2個峰值。如圖5所示，鉆孔終孔水壓為1.2MPa～3.3MPa，平均水壓力為1.77MPa。通過圖4可以看出，整個工作面頂板同樣存在2處主要的高水壓區。

圖4 31116工作面頂板物探異常區與疏放水鉆孔終孔涌水量分布對比

圖5 31116工作面頂板物探異常區與疏放水鉆孔終孔水壓分布對比圖

①號高水壓區：該范圍對應前面所分析的4號異常區。①號高水壓區內鉆孔終孔壓力均達到1.8MPa，最高鉆孔終孔水壓可達到2.0MPa。

②號高水壓區：該范圍對應前面所分析的5號異常區。②號高水壓區內鉆孔終孔壓力多數達到1.8MPa，最高鉆孔終孔水壓可達到3.3MPa。

綜合對比終孔水量、水壓和物探異常區的分布對應關系，發現在物探重點異常區（4號和5號異常區）附近，終孔水量、水壓均較大。物探結果與31116工作面頂板含水層富水性分布趨勢相吻合。證明該次31116超寬工作面音頻電透視探測頂板富水異常區結果可靠。

4 結論

該文通過對31116超寬工作面頂板砂巖含水層富水性的探測研究，驗證了物探成果與疏放水鉆孔的終孔涌水量、水壓高度吻合，證明音頻電透視法對工作面寬度大于250m的超寬工作面富水性探測具有非常高的可靠性。

該文采用三維反演建模方法對31116工作面物探數據進行分析，得到了工作面頂板含水層富水區、物探異常區水壓的三維模型，達到了對頂板疏放水鉆孔設計進行優化、準確疏放含水層水、有效指導頂板含水層治理的目的。