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(yīng)用

孟憲亮 宋紅娟 雍自春 周建軍

（神華寧煤集團(tuán)能源工程有限公司環(huán)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(chǎn)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)災(zāi)害和制約煤礦安全生產(chǎn)主要自然因素之一。隨著物探技術(shù)的不斷發(fā)展，在煤礦防治水中越來(lái)越多的應(yīng)用了物探方法，綜合物探已成為水文地質(zhì)探測(cè)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(guān)系到礦井回采安全，現(xiàn)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(duì)賦水低阻體較為敏感，下面結(jié)合某礦首采區(qū)112201工作面頂板賦水規(guī)律電法綜合探測(cè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)概況

井田內(nèi)大部分地區(qū)被第四系（Q）風(fēng)積砂及粉土所覆蓋，經(jīng)鉆孔揭露井田內(nèi)地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)上田組（T3s）；侏羅系中統(tǒng)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(fēng)順槽位于該背斜西翼，112201工作面膠帶運(yùn)輸順槽位于背斜東翼。根據(jù)兩巷掘進(jìn)實(shí)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(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)

勘探區(qū)內(nèi)按含煤組、巖性組合及含水層水力性質(zhì)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(jù)含水層分布及水文地質(zhì)特征分析，對(duì)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(jié)構(gòu)較致密，裂隙不發(fā)育，富水性差，屬富水性弱的含水層。

2 工作方法技術(shù)

2.1 方法選擇依據(jù)

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

2.1.1 目前礦井音頻電透視技術(shù)是最有效探測(cè)采煤工作面頂、底板巖層中含水構(gòu)造的礦井物探技術(shù)之一。該技術(shù)可很好把目標(biāo)體異常區(qū)域進(jìn)行平面展布。

2.1.2 礦井瞬變電磁技術(shù)具有對(duì)低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點(diǎn)。可間接地對(duì)工作面順槽附件低阻異常體在縱向深度上進(jìn)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(shí)間域電磁感應(yīng)方法。其探測(cè)原理是在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向掌子面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V(t)，就得到了二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線。如果沒(méi)有良導(dǎo)體存在時(shí)，將觀測(cè)到快速衰減的過(guò)渡過(guò)程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場(chǎng)的切斷，所觀測(cè)到的過(guò)渡過(guò)程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。

從巖性物性差異的角度，一般變化規(guī)律認(rèn)為泥巖、粉砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖到煤層、灰?guī)r，電阻率逐漸增高，即煤層、灰?guī)r相對(duì)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(fā)生變化除與巖層巖性本身有關(guān)外，其含水性也起決定作用，故在灰?guī)r等高阻地層中，地層含水，表現(xiàn)為低電阻率值；相反，則表現(xiàn)高電阻率值。

2.2.2 全方位探測(cè)儀工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

本次使用的全方位探測(cè)儀是一款直流電法儀。電法勘探是以巖、礦石的導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)分析電場(chǎng)分布變化規(guī)律來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)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(guò)A、B電極向地下供入電流I,然后在M、N極間測(cè)量電位差ΔU，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值。

根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)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(nèi)的賦水性和空隙空間特征，因此利用這種電性的差異，結(jié)合全空間電場(chǎng)理論以及相應(yīng)的資料解釋處理系統(tǒng)，就可得到巷道周圍巖石中引起電場(chǎng)變化的水文、地質(zhì)構(gòu)造等狀況。從而可以劃分地層、圈閉異常、確定裂隙帶等特點(diǎn)。

其中音頻電透視施工在井下工作面一條巷道內(nèi)布置供電點(diǎn)供電，供電電極通入地下提供穩(wěn)定電流，在相鄰巷道內(nèi)布置測(cè)量點(diǎn)接收電信號(hào)，當(dāng)電信號(hào)流經(jīng)不同的巖層、礦體或含水構(gòu)造時(shí)，受異常體的吸引和排斥作用影響，電場(chǎng)線在異常體附近就會(huì)產(chǎn)生發(fā)散和集中現(xiàn)象，研究這種電場(chǎng)的變化規(guī)律，便可以預(yù)測(cè)工作面內(nèi)部含水構(gòu)造的形態(tài)和規(guī)模。

圖1 橫向控制布設(shè)

2.3 相關(guān)工作參數(shù)

瞬變地磁：發(fā)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(shù)64次，發(fā)射電流1.7A。

直流電法儀：發(fā)射頻率5Hz，供電電流65MA-70MA。

2.4 方案設(shè)計(jì)

2.4.1 瞬變電磁方案設(shè)計(jì)

（1）橫向控制點(diǎn)布設(shè)

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(gè)測(cè)點(diǎn)。具體見(jiàn)示意圖（圖1）。

（2）單點(diǎn)布置

根據(jù)本次探測(cè)目的，本次單點(diǎn)布置主要沿頂板、45°、60°進(jìn)行單點(diǎn)探測(cè)。具體探測(cè)布點(diǎn)如圖2所示。

圖2

2.4.2 音頻電透視探測(cè)方案

（1）工作面單巷測(cè)段控制

本次設(shè)計(jì)在機(jī)巷底板沿切眼布置發(fā)射電極A，累計(jì)布設(shè)7根鋼電極為一組，編號(hào)為A1至A7，風(fēng)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(zhǎng)，根據(jù)儀器現(xiàn)有的配置，單階段控制長(zhǎng)度為300米，故在測(cè)量過(guò)程中需分階段進(jìn)行測(cè)量，每七組鋼電極為一組，測(cè)量完畢后鋼電極順次延續(xù)，并將接收極（銅電極）置于第二組第一個(gè)鋼電極對(duì)應(yīng)處向前100米處開(kāi)始，繼續(xù)進(jìn)行探測(cè)，如此往復(fù)循環(huán)，直至測(cè)至停采線處。

3 探測(cè)成果

圖3 單巷測(cè)段控制布極示意圖

將上述兩種兩種方法探測(cè)所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)專業(yè)軟件校正、處理后得出探測(cè)成果圖。其中音頻電透視探測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)測(cè)段順槽頂板測(cè)深剖面圖

通過(guò)瞬變電磁探測(cè)成果圖可看出上述對(duì)應(yīng)段在25-40米視電阻值相對(duì)較低，并整體呈區(qū)域性展布，且在音頻電透視成果圖上亦呈低阻反映（通過(guò)前期試驗(yàn)及軟件反演視電導(dǎo)率異常閥值約為8s/m)，通過(guò)結(jié)合礦方地質(zhì)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(qū)段引起低阻異常正是由于斷層影響帶及裂隙帶導(dǎo)致賦水所致。

4 結(jié)論

通過(guò)上述探測(cè)，礦方參考探測(cè)成果對(duì)其進(jìn)行了打鉆驗(yàn)證，個(gè)別鉆孔單孔最大涌水量達(dá)到了45m3/h，從而為礦方的前期疏放提供了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。應(yīng)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(duì)賦水區(qū)域進(jìn)行立體控制，并可互相驗(yàn)證、對(duì)比，使得物探成果精度最大化的提高，可以預(yù)見(jiàn)，此種方法對(duì)侏羅地層砂巖含水具有很好的探測(cè)效果。