杜家溝煤業地面探測淺層采空破壞區技術應用

宋麗超

（山西霍州煤電集團技術研究院，山西 霍州 041000 ）

杜家溝煤業所采的2#煤層埋藏淺，最淺處距離地面15～20 m，導致井田內小煤窯私挖濫采現象較嚴重。小窯采空破壞區大多為無序開采所形成的，無規律可循，在井下準確探明小窯采空破壞區較困難，礦井急需查清小窯破壞及2#煤層賦存情況，以便進行下一步的采掘布置。因此對2-104 采掘范圍內的2#煤層賦存情況進行有效的探查，從而為鉆探提供真實準確的耙區至關重要。

本次直流電四極測深法[1]探測使用YDZ（A）直流電法儀，主要從地面探測井下工作面內部小窯破壞及煤層賦存情況，確定相對低阻區，為礦井防治水提供精確的物探資料。

1 工作面水文地質概況

杜家溝煤業2-104 工作面地面位于河津市下化鄉半坡村南部，為低山黃土丘陵地帶，地表大部分黃土覆蓋，溝谷發育，地形較復雜，無常年性河流。地表西北部有一條下半坡溝，無房屋建筑，工作面地表未發現斷裂構造或地質塌陷區等可能威脅井下安全的地質體；工作面西部存在原杜家溝礦小煤窯破壞區，主采2#煤層，根據地面調查，小煤窯井口無漏風現象，已進行封堵。在2-1042 巷掘進過程中揭露了大范圍的采空區，給生產帶來了極大的安全隱患，鉆探過程中經常出現鉆探10 m 左右、甚至幾米即不回水、卡鉆等現象，也有可能發生局部采空區遺漏的現象。因此需要準確探查工作面內部小窯破壞情況，為防治水提供更加精確的鉆探耙區。

2 設備及技術參數

2.1 使用設備

直流電探測儀器采用YDZ（A）直流電法儀。該儀器操作簡便，自動化程度高，克服了大地游散電流、極化電位等因素的影響，抗干擾能力強，工作狀態穩定，靈敏可靠[1-2]。

2.2 裝置形式及技術參數

根據本次礦井電法的地質任務，結合礦井實際地質情況，決定直流電法采用四極測深裝置進行數據采集[3]，四極測深裝置及ρs曲線示意圖如圖1。電極排列和有關技術參數如下：

圖1 四極測深裝置示意圖

（1）供電極距AB/2 最大60 m，可以保證探測深度不小于45 m；

（2）供電電流50～70 mA，可以保證足夠的觀測信號和信噪比；

（3）供電間距4 m，以保證足夠的分辨率和數據采集密度。

3 測線布設

2-104 工作面沿東西方向布設，為保證探測效果并結合地面河溝環境確定本次測線沿南北方向布置，設計2 條測線分別為A、B，如圖2 所示。測線A 布置18 個測點，測線B 布置9 個測點，具體設計測線測點數27 個，復查點 6 個，試驗物理點5個。各條測線坐標見表1。

表1 測線端點坐標成果表

測線號 測點號 x y A A15 19 465 263 3 952 000 A A16 19 465 266 3 952 034 A A17 19 465 291 3 952 025 A A18 19 465 323 3 952 006 B B1 19 465 011 3 951 901 B B2 19 465 037 3 951 906 B B3 19 465 050 3 951 911 B B4 19 465 074 3 951 924 B B5 19 465 117 3 951 949 B B6 19 465 128 3 951 953 B B7 19 465 149 3 951 959 B B8 19 465 011 3 951 901 B B9 19 465 176 3 951 977

圖2 測線示意圖

4 數據處理及解釋

由于探測范圍內2#煤層埋藏深度為20 m左右，故處理得到15 m、20 m、25 m、30 m 不同深度的切片圖。圖3中縱坐標為測線間距，橫坐標為測點號。圖中標注的數值表示電阻率大小的變化。

圖3 直流電不同深度切片成果圖

正常情況下煤層一般表現為相對高阻，相對而言泥巖、砂巖視電阻率相對較低[4]。當存在積水煤層采空區（即地質異常體）時，地質異常體及其附近電性分布將使局部電阻率值降低[5]。根據相鄰巷道鉆探資料及地質情況分析該工作面內部小窯破壞區富水性較弱，主要是破壞區影響較大，從以上情況看出高阻區即為未被破壞的煤層范圍。具體分析如下：為確定不同深度巖層的電性異常區域，按照上述的統計解釋原則獲得：（1）河溝下15 m 層段巖層的視電阻率值在234～843 Ω·m 間變化，平均值為510 Ω·m，標準偏差為101 Ω·m，該巖層段的異常閾值為476 Ω·m；直流電法淺層0～15 m 范圍內曲線連續且顯示為低阻巖層，預計為河溝內沉積淤泥。（2）河溝下20 m 層段巖層的視電阻率值在442～1022 Ω·m 間變化，平均值為716 Ω·m，標準偏差為135 Ω·m，該巖層段的異常閾值為671 Ω·m。根據該段巖層異常閾值確定2 處異常（分別為YC1、YC2），YC1 位于1#測線60～80 m 與2#測線20～40 m 之間兩條測線內部,視電阻率值小于671 Ω·m，分析為煤層未被破壞區；YC2 位于1#測線120～150 m 與2#測線80～100 m 之間兩條測線內部，視電阻率值小于671 Ω·m，分析為煤層賦存較好，未被大面積破壞。（3）河溝下25 m 層段巖層的視電阻率值在586～1155 Ω·m 間變化，平均值為827 Ω·m，標準偏差為108 Ω·m，該巖層段的異常閾值為791 Ω·m。根據該段巖層異常閾值確定1 處異常為YC3，YC3 位于1#測線110～130 m 與2#測線80～100 m 之間兩條測線內部，視電阻率值小于791 Ω·m，該異常區地面位置與YC2 基本一致，分析為煤層賦存較好，未被大面積破壞。

圖4、圖5 分別為A、B 測線數據處理得到的成果圖。圖中縱坐標為探測深度，橫坐標為測點號。直流電法淺層0～15 m 范圍內曲線連續且顯示為低阻巖層，預計為河溝內沉積淤泥；深度20～30 m 范圍內曲線變化明顯，預計受小煤窯采空破壞影響。綜合分析得到下列結論：A、B 測線直流電圈定3 處低阻區，分別位于測線20～40 m、80～100 m、110～130 m 范圍內，預計該處區域煤層破壞不嚴重，為煤柱區，其余范圍煤層破壞嚴重。

圖4 A 測線直流電成果圖

圖5 B 測線直流電成果圖

5 實際應用效果分析

礦方在1042 巷掘進期間對揭露的小窯采空區、采空巷道資料進行了收集，并對地面直流電異常區進行了重點探查，如圖6。圖中黑色巷道為礦方實際掘進巷道，黑色虛線為揭露小窯巷道，黑色橢圓形為小窯破壞區范圍，黑色圖框（YC）為直流電圈定的低阻區即煤柱區。從圖中可以看出掘進實際揭露與地面直流電探測結果基本一致。

圖6 地面直流電異常與實際揭露對比圖

6 結語

在地面采用直流電四極測深方法對淺層煤層賦存、小窯破壞情況進行探查，可以有效地指導礦方的安全生產，為礦井防治水提供翔實的物探資料。