礦井電法勘探在工作面頂（底）板主含水層疏放治理中的綜合應用

孟憲亮 宋紅娟 雍自春 周建軍

（神華寧煤集團能源工程有限公司環境安全工程分公司 寧夏 銀川 750021）

0 引言

礦井水害是煤礦生產中經常遇到的地質災害和制約煤礦安全生產主要自然因素之一。隨著物探技術的不斷發展，在煤礦防治水中越來越多的應用了物探方法，綜合物探已成為水文地質探測的重要手段。尤其是煤層頂板主含水層孔隙水在工作面回采前的疏放治理，已直接關系到礦井回采安全，現今常用的直流電法儀及瞬變電磁儀都屬于電法儀器，且都對賦水低阻體較為敏感，下面結合某礦首采區112201工作面頂板賦水規律電法綜合探測實例進行說明。

1 項目區地質及水文地質概況

1.1 項目區地質概況

井田內大部分地區被第四系（Q）風積砂及粉土所覆蓋，經鉆孔揭露井田內地層由老至新依次有：三疊系上統上田組（T3s）；侏羅系中統延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）；第三系（R）和第四系（Q）。112201工作面布置在某背斜軸部，沿軸向布置，即112201工作面回風順槽位于該背斜西翼，112201工作面膠帶運輸順槽位于背斜東翼。根據兩巷掘進實際揭露情況，影響工作面回采的斷層有五條，分別為DF17正斷層、DF18正斷層、DF21正斷層、DF21-1正斷層及DF22斷層。

1.2 項目區水文地質

勘探區內按含煤組、巖性組合及含水層水力性質埋藏條件等，由上而下劃分為以下主要含水層劃分為第四系孔隙潛水含水層（Ⅰ）、侏羅系碎屑巖裂隙孔隙承壓含水層（Ⅱ－Ⅴ）。根據含水層分布及水文地質特征分析，對工作面影響較大的含水層為直羅組底部砂巖含水層段，其它各段含水層結構較致密，裂隙不發育，富水性差，屬富水性弱的含水層。

2 工作方法技術

2.1 方法選擇依據

本次探測采用音頻電透視技術及礦用瞬變電磁儀進行綜合探測。本次選用該技術主要是從以下方面進行考慮：

2.1.1 目前礦井音頻電透視技術是最有效探測采煤工作面頂、底板巖層中含水構造的礦井物探技術之一。該技術可很好把目標體異常區域進行平面展布。

2.1.2 礦井瞬變電磁技術具有對低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效應小、縱橫向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等優點。可間接地對工作面順槽附件低阻異常體在縱向深度上進行控制。

2.2 方法原理概述

2.2.1 礦用瞬變電磁儀工作原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向掌子面傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內部將產生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發現導體的存在。

從巖性物性差異的角度，一般變化規律認為泥巖、粉砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖到煤層、灰巖，電阻率逐漸增高，即煤層、灰巖相對其它巖層為高電阻率阻層，若巖層含水，則隨著其含水率的增加電阻率值減小，因此巖層電阻率發生變化除與巖層巖性本身有關外，其含水性也起決定作用，故在灰巖等高阻地層中，地層含水，表現為低電阻率值；相反，則表現高電阻率值。

2.2.2 全方位探測儀工作原理及技術特點

本次使用的全方位探測儀是一款直流電法儀。電法勘探是以巖、礦石的導電性為基礎，通過觀測分析電場分布變化規律來解決地質問題的一種地球物理勘探方法。礦井全方位直流電阻率法,它通過A、B電極向地下供入電流I,然后在M、N極間測量電位差ΔU，從而求得該記錄點的視電阻率值。

根據實測的視電阻率剖面，進行計算、處理、分析,便可獲得地層中的電阻率分布情況，由于巖石的視電阻率大小主要取決于空隙內的賦水性和空隙空間特征，因此利用這種電性的差異，結合全空間電場理論以及相應的資料解釋處理系統，就可得到巷道周圍巖石中引起電場變化的水文、地質構造等狀況。從而可以劃分地層、圈閉異常、確定裂隙帶等特點。

其中音頻電透視施工在井下工作面一條巷道內布置供電點供電，供電電極通入地下提供穩定電流，在相鄰巷道內布置測量點接收電信號，當電信號流經不同的巖層、礦體或含水構造時，受異常體的吸引和排斥作用影響，電場線在異常體附近就會產生發散和集中現象，研究這種電場的變化規律，便可以預測工作面內部含水構造的形態和規模。

圖1 橫向控制布設

2.3 相關工作參數

瞬變地磁：發射線圈采用2米×2米（共9匝），接收線圈采用2米×2米（18匝）；疊加次數64次，發射電流1.7A。

直流電法儀：發射頻率5Hz，供電電流65MA-70MA。

2.4 方案設計

2.4.1 瞬變電磁方案設計

（1）橫向控制點布設

整體工作面橫向控制上主要為工作面兩條順槽及切眼具體每隔10米布置一個測點。具體見示意圖（圖1）。

（2）單點布置

根據本次探測目的，本次單點布置主要沿頂板、45°、60°進行單點探測。具體探測布點如圖2所示。

圖2

2.4.2 音頻電透視探測方案

（1）工作面單巷測段控制

本次設計在機巷底板沿切眼布置發射電極A，累計布設7根鋼電極為一組，編號為A1至A7，風巷頂板布置接收極M、N，且MN極垂直巷道布置，置于巷道兩幫頂部拐角處。具體如圖3。

（2）工作面整體控制

施工工作面全長，根據儀器現有的配置，單階段控制長度為300米，故在測量過程中需分階段進行測量，每七組鋼電極為一組，測量完畢后鋼電極順次延續，并將接收極（銅電極）置于第二組第一個鋼電極對應處向前100米處開始，繼續進行探測，如此往復循環，直至測至停采線處。

3 探測成果

圖3 單巷測段控制布極示意圖

將上述兩種兩種方法探測所采集的數據通過專業軟件校正、處理后得出探測成果圖。其中音頻電透視探測本次主要得到的是工作面頂板0-70米整體賦水平面圖，而瞬變電磁探測得到的是頂板主含水層沿煤層頂板的縱向剖斷面圖。具體如具體如下圖：

圖4 音頻電透視成果圖

圖5 瞬變電磁對應測段順槽頂板測深剖面圖

通過瞬變電磁探測成果圖可看出上述對應段在25-40米視電阻值相對較低，并整體呈區域性展布，且在音頻電透視成果圖上亦呈低阻反映（通過前期試驗及軟件反演視電導率異常閥值約為8s/m)，通過結合礦方地質資料顯示該處為斷層影響帶，從而可以判定此處存在低阻異常，而該區段引起低阻異常正是由于斷層影響帶及裂隙帶導致賦水所致。

4 結論

通過上述探測，礦方參考探測成果對其進行了打鉆驗證，個別鉆孔單孔最大涌水量達到了45m3/h，從而為礦方的前期疏放提供了準確的預測預報。應用表明，采用上述兩種方法在平面及煤層縱向上可以很好的對賦水區域進行立體控制，并可互相驗證、對比，使得物探成果精度最大化的提高，可以預見，此種方法對侏羅地層砂巖含水具有很好的探測效果。