綜合物探技術在探測礦井隱伏含水構造中的應用

華相征

（山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250100）

隨著我國煤礦機械化開采水平的不斷提高，工作面順槽的掘進長度日趨增大，導致順槽掘進時遭遇隱伏含水地質構造的可能性逐漸增大。據統計，60%礦井水害事故發生于掘進工作面，其中大部分是由于遭遇了隱伏含水構造。五里堠煤礦1130 工作面周圍存在斷層等地質構造，且頂板上方存在富水性較高的含水層，可能造成掘進回采巷道時遭遇頂板淋水。因此，綜合采用遠距離超前聲波探測及礦井直流電法兩種探測技術[1-6]，對1130 回風順槽掘進面前方的隱伏含水地質構造進行超前探測。

1 工程概況

五里堠煤礦隸屬于山西潞安集團，礦井設計生產能力為120 Mt /a，主采14#煤層，平均煤厚4.57 m，煤層傾角3°～8°，煤層結構簡單穩定。根據鉆孔觀測，14#煤層頂板巖性多為粉砂巖及砂質泥巖，煤層底板主要由泥巖、砂質泥巖組成。在頂板上方存在兩個主要含水層，分別為L9 灰巖和 L4 灰巖。其中，L9 灰巖含水層位于14#煤層上方27.1 m 處，平均厚度8.3 m，中等富水；L4 灰巖含水層位于14#煤層上方92.7 m 處，平均厚度12.7 m，裂隙巖溶較發育，部分裂隙與L9 灰巖含水層貫通。

1130 工作面位于井田東部，北側及南側分別存在有斷層F30、F18，東部為煤柱。1130 工作面頂底板裂隙較為發育，L9、L4 灰巖含水層富水性高，加之周圍斷層導水的影響，突水系數較高。因此，預見1130 回風順槽在掘進時會遭遇頂板淋水、底板突水等水害事故，嚴重影響井下的安全生產。為消除安全隱患，需在掘進時提前探測掘進面前方的隱伏地質構造及其富水性，為1130 回風順槽的安全高效掘進提供保障。

2 綜合物探技術原理

2.1 遠距離超前聲波探測原理

自然界中巖石的差異性較大，遠距離超前聲波探測通過人為激發地震波（聲波），差異性巖體在收到聲波后反射出的聲波也不盡相同，因此可根據反射波的不同對地質構造進行探測。本次遠距離探測采用DTC－150 防爆地質超前探測儀，其工作原理如圖1，一般是在距掘進面迎頭不遠處的巷幫上炮孔，用以激發地震波既聲波，在遠離炮孔激發點的后巷布置反射波接收器，并通過方向濾波等方式對接收到的反射波進行處理，分析其反射時長、能量大小、相位特征等信息，以此得出掘進工作面前方的斷層、陷落柱等地質構造的分布情況。

圖1 遠距離超前聲波探測原理

2.2 礦井直流電法

礦井直流電法是以不同巖性巖石的導電性不同為基礎，人工向地層內釋放電流，并根據地層中電流的分布情況判斷地質構造體的礦物特性及其含水性。其工作原理如圖2，在掘進巷道中，將一個供電電極B 布置在距掘進面迎頭“無窮遠”處，另外3 個供電電極A1、A2、A3以一定間隔距離依次布置在掘進面迎頭附近。探測時，對3 個電極Ai供電，使得電極Ai向四周發射電流并形成球狀等勢面，通過等勢面的變化探測前方的電性異常狀況，掘進面后方的電極測量站M、N 可以測量出電性異常，通過處理分析可得到掘進工作面前方的地質構造及富水情況。

圖2 礦井直流電法探測原理

3 綜合物探技術的現場應用

3.1 綜合物探方案

地質構造體探測：采用遠距離超前聲波探測掘進面前方隱伏的地質構造體具體位置及其大小。在距1130 掘進面迎頭10 m 處巷幫布置第一個炮孔，隨后每隔1.5 m 布置一個炮孔，共布置24 個，炮孔孔深均為1.5 m，單孔裝藥量均為60 g，采用毫秒微差雷管依次起爆。在距最后一個炮孔后方20 m處布置聲波接收孔，使用DTC－150 防爆地質超前探測儀進行反射聲波的濾波收集，并通過軟件處理得到探測范圍內異常地質構造體的空間分布。

富水性探測：采用礦井直流電法對掘進面前方隱伏地質構造的富水性進行探測。在1130 掘進面正頭附近布置第一個供電電極A1，隨后每隔4 m 布置供電電極A2、A3，電極測量站M、N 之間間隔5 m。隨著掘進面的前進，由里向外依次收集電極數據，并通過專業的電法軟件對采集的數據進行處理和解釋，得出掘進面前方探測范圍內的地質富水特征。

3.2 物探結果分析

圖3 為1130 回風順槽掘進至166 m 通尺時，通過遠距離超前聲波探測法得到的掘進面前方縱波結果。可以看出，在距掘進面正頭前方63.6～78.5 m（通尺229.6～244.5 m）存在一組界面反射區，其縱波、橫波比值及泊松比都有明顯的增加。基于此可推斷出該區域煤巖體裂隙發育，為斷層破碎帶。

圖3 遠距離超前聲波探測結果

圖4 為1130 回風順槽掘進至166 m 通尺時，礦井直流電法得出的探測結果。可以看出，在距掘進面正頭前方63.1～70.2 m（通尺229.1～236.2 m）范圍內存在電阻異常，電阻率較周圍區域明顯變低，推測該區域煤巖體相對破碎或富水程度相對較高。

圖4 礦井直流電法探測結果

綜合兩種物探技術的探測結果，認為在1130 回風順槽掘進至166 m 通尺時，距離其掘進面迎頭前方63.1～78.5 m（通尺229.1～244.5 m）范圍內可能存在斷層破碎帶，煤巖體裂隙發育且相對富水，掘進通過該區域時可能會出現頂板淋水、底板突水、圍巖變形量較大等現象。

4 綜合物探結果驗證分析

1130 回風順槽掘進至230 m 通尺時，揭露出斷層F168，其主要參數為：落差達3.2 m，傾角為45°，方位角為332°，傾向與巷道掘進方向近乎垂直。掘進時頂板有明顯的淋水現象，同時伴有底板輕微涌水。實際揭露位置及情況與物探結果吻合度較高，其中，遠距離超前聲波探測法探測出異常區的開始位置與實際揭露斷層位置相差0.4 m，礦井直流電法探測出異常區的開始位置與實際揭露斷層位置相差0.9 m，說明該綜合物探技術的準確度較高。

在礦井前期的三維地質勘探中并未篩查出F168斷層，表明其為隱伏含水構造。通過該綜合物探技術對其進行了較準確的預測，為掘進工作面的防治水措施提供了依據，保障了礦井后續巷道的安全高效掘進。F168斷層的揭露情況如圖5。

圖5 F168 斷層實際揭露情況

5 結論

五里堠煤礦14#煤層頂板存在2 個主要含水層，分別為L9灰巖含水層和 L4灰巖含水層，并且兩個含水層間裂隙發育貫通，成為礦井隱伏構造的主要充水源。為了保證1130 回風順槽安全高效掘進，基于遠距離超前聲波探測及礦井直流電法的探測原理，結合1130 掘進工作面的實際條件，設計了綜合物探技術方案，并預測出：在1130 回風順槽掘進至229.1～244.5 m 通尺時，可能遇到斷層破碎帶，富水程度相對較高，可能會出現頂板淋水、圍巖變形量較大等現象。實際揭露情況表明，1130 回風順槽掘進至230 m 通尺時，揭露出隱伏斷層構造F168，綜合物探預測斷層位置與實際揭露位置相差僅為0.4～0.9 m，說明該綜合物探技術的準確度較高。