綜合物探技術(shù)在礦井導水通道探測中的應(yīng)用

吳記軍

（安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

礦井水害是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，針對已經(jīng)發(fā)生底板出水的情況，如何準確查明水害源及導水通道仍是當前面臨的重要難題。目前礦井電磁法是進行水害探測的有效物探方法[1]，由于水源導水通道一般體積較小，且單一物探方法具有一定的局限性，采用單一物探方法無法對底板導水通道進行準確探測[2]，因此，基于電法和瞬變電磁探測技術(shù)方法的特點，本文針對巷道迎頭出水情況，將兩種物探方法相結(jié)合[3，4]，首先采用瞬變電磁和電測深探測技術(shù)對巷道迎頭前方及巷道底板下方區(qū)域進行綜合探測，以查明富水異常區(qū)，然后利用極化率法對巷道底板進行探測，由于查明巖層及水害源的極化率差異，從而形成對巷道底板導水通道的精準探測。

1 探測原理

1.1 礦井瞬變電磁探測原理

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應(yīng)方法，在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導電程度，在一次磁場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。

1.2 電測深法基本原理

電測深法的電阻率法全稱為“垂向電阻率測深法”。它用逐步改變供電電極距大小的辦法來控制勘探深度，由淺入深，了解一個測點地下介質(zhì)電阻率的垂向變化。

本文采用網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)進行探測，網(wǎng)絡(luò)并行電法為直流電阻率法的一種，是在高密度電法勘探基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種新技術(shù)。通過供電與測量的時序關(guān)系對自然場、一次場、二次場電壓數(shù)據(jù)及電流數(shù)據(jù)進行自動采樣，采樣過程沒有空閑電極出現(xiàn)。智能電極與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)了并行電法勘探，完全類似于地震勘探的數(shù)據(jù)采集功能，從而大大提高了電法數(shù)據(jù)的采集效率和數(shù)據(jù)量。它既具有集電測深和電剖面法集于一體的多裝置、多極距的高密度組合功能，同時還具有多次覆蓋疊加的優(yōu)勢。

1.3 直流電場的激發(fā)極化法

電流流過金屬礦等電子導電顆粒和圍巖溶液時，由于電化學的作用，在界面處產(chǎn)生超電壓引起激發(fā)極化效應(yīng)。在直流脈沖的激發(fā)下，可以根據(jù)電場隨時間的變化來研究不同巖礦石的激發(fā)極化效應(yīng)。

在時間域激電中，當儀器采用長脈沖形式供電時，通常以極化率的參數(shù)來表征極化介質(zhì)的激電性質(zhì)，η（T，t）值的計算公式為：

圖2 瞬變電磁探測橫向剖面成果圖

式中?U2（T，t）是供電時間為T和斷電后t時刻測得的二次電位差。

2 探測實例分析

2.1 地質(zhì)概況

某礦-735m軌道二石門巷道在掘進過程中迎頭底板出水，經(jīng)水樣化驗得知其內(nèi)部含灰?guī)r水。出水后礦方在迎頭出水位置附近進行了注漿加固、封堵。軌道二石門巷道在BF33-1斷層至BF33斷層之間的施工過程中，由于斷層影響，造成此段巷道底板距太原組灰?guī)r最短距離僅13m左右，巷道剖面圖見圖1所示，因此灰?guī)r水也是巷道安全掘進的一大威脅，為保障后期巷道的安全性，決定采用物探方法對導水通道進行探查，為后期導水通道的注漿封堵提供依據(jù)。

圖1 探測區(qū)巷道剖面圖

2.2 測線布置

2.2.1 瞬變電磁法探測

瞬變電磁超前探測按照扇形觀測系統(tǒng)布置，以巷道迎頭為中心點布置15個測點，實施瞬變電磁數(shù)據(jù)采集，每個數(shù)據(jù)點處觀測6個方向，分別為頂板30°、掘進方向、底板15°、底板30°、底板45°和底板60°。

2.2.2 并行電法探測

本次并行電法超前探測觀測系統(tǒng)布置依據(jù)實際掘進巷道周邊地形條件，并行電法測線布置時以巷道迎頭位置為1號電極點，以電極距3m向迎頭后方布置，共布置電極101個，布置測線總長約為300m。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采用AM法，分別采用0.1s、0.5s和2s的恒流供電時間進行測量。

2.3 探測成果分析

2.3.1 瞬變電磁超前探測

根據(jù)巷道迎頭前方的瞬變電磁超前探測成果可以看出迎頭前方探測區(qū)域整體視電阻率值較高，等值線變化相對平緩，探測區(qū)域內(nèi)富水性較弱，表明迎頭位置出水的水源來自于巷道迎頭后方底板區(qū)域。

2.3.2 并行電法探測

巷道底板三極電測深探測成果圖見圖3所示，得出3處視電阻率值相對較低區(qū)域分別為CS1、CS2和CS3，分析其相對富水，其中CS1位于灰?guī)r層位，CS2位于斷層BF33附近，CS3位于砂巖層位。

圖3 電測深探測成果圖

根據(jù)并行電法探測時不同的供電時間數(shù)據(jù)，分別選取0.1s和2s恒流時間的電位數(shù)據(jù)，得出底板探測區(qū)域內(nèi)的極化率分布成果圖（圖4），得出兩處高極化率的異常區(qū)域JH1和JH2。表明該異常區(qū)域跟圍巖相比導電性更好。

圖4 極化率探測成果圖

綜合電測深和極化率探測成果，可以看出，JH1與CS1異常區(qū)位置基本吻合，JH2與CS3異常區(qū)位置基本吻合，表明該異常區(qū)域與圍巖相比導電性更好，分析結(jié)果相對為富水且水的礦化度較高，為灰?guī)r水反應(yīng)。

2.3.3 導水通道分析

根據(jù)巷道迎頭位置出水情況，結(jié)合測深成果圖中的相對低阻異常區(qū)形態(tài)，可以推斷出迎頭位置出水的疑似導水通道，見圖3中洋紅色實線標識，迎頭位置出水點的灰?guī)r水水源來自于CS1異常區(qū)，該異常區(qū)表現(xiàn)為高極化率，為灰?guī)r水的高礦化度反應(yīng)，經(jīng)巖層裂隙運移至CS3異常區(qū)位置，進而沿裂隙繼續(xù)向上運移至迎頭位置處，由于迎頭出水位置及底板下方位置已進行完注漿封堵，導致靠近迎頭下方區(qū)域位置呈現(xiàn)為高電阻率分布。

3 結(jié)論

（1）通過瞬變電磁法超前探測，迎頭前方探測區(qū)域內(nèi)無明顯低阻異常區(qū)存在，排除了水源來自迎頭前方區(qū)域的可能。

（2）在巷道后方進行底板電測深和極化率探測，得出了明顯的低阻高極化異常區(qū)，根據(jù)水源的判斷實現(xiàn)了對巷道底板導水通道的有效探測。

（3）采用多種物探方法相結(jié)合的綜合探測技術(shù)，做到了統(tǒng)籌優(yōu)勢、互為補充，彌補了單一物探方法的劣勢，更好的實現(xiàn)了水害源及導水通道的精細探查。