物探技術在巷道掘進防治水中的綜合應用

摘 要：物探技術在煤礦防治水中具有諸多優點，但單一的物探技術都有其自身的特殊性和局限性，綜合多種物探技術取長補短才能較全面的反映出礦區富水特點，為防治水工作提供更為準確的依據。本文在簡述了高密度電法和井下直流電法勘探的基本原理基礎上，通過具體綜合應用實例，對數據進行反演成圖并對反演結果進行綜合分析，推測出較為準確的異常區域存在范圍，確定了綜合物探技術具有更好的使用效果，對今后礦山水患預測具有指導意義。

關鍵詞：物探技術；高密度電法；井下直流電法；防治水

前言

物探技術具有快速準確、經濟安全等優點，在煤礦防治水被廣泛應用并顯示出其優勢，但單一的物探方法在具有一定效果同時也存在一定的局限性[1]。所以利用多種物探技術對礦井地下水富集情況及地下巖溶水道分布等情況進行綜合分析，才能為礦山防治水提供更準確的理論依據，故綜合物探技術是煤礦水患預測的應用重點[2]。本文通過對DUK-2A高密度電法儀和YDZ50礦井直流電法儀在巷道掘進周圍潛在的水患探測綜合應用，為礦山防治水提供依據，為綜合不同物探技術更加準確的推斷巷道掘進前方富水情況進行了探索。將本項目的研究成果應用到生產實際中，也取得了良好效果。

1 技術原理

1.1 高密度電法

高密度電法是典型直流電法勘探，在地質體電性差異的基礎上，通過多路轉換器供電，測量電極的自動轉換，尋找地質體電性規律，觀測地質體電性差異以達到地質勘察的目的。其電阻率的求取是通過供電電極供電，利用測量電極測量電位差，從而求得該電極點的視電阻率[3]。高密度電法工作示意圖如圖1所示。

圖1 高密度電法工作示意圖

1.2 井下直流電法

如圖2所示，在層狀空間中采用6電極系裝置，在巷道掘進工作面附近等間距布置3個供電電極A1、A2、A3，分別往地下供入直流電建立人工電場，根據電流場分布原理，各供電電極分別供電時都是點電源，其電流線以Ai（i=1、2、3，下同）極為球心往外輻射，其等電位面是以Ai為球心的球面，該球面的特點是在同一個球面上的任意一點的電位相同。由一定間隔的M、N電極測得2個球殼之間的電位差UMN[4]。根據電位差發生變化，推斷前方是否存在異常體。

對于均勻全空間，點電源Ai產生的電場分布特征可表示為

UM=I？籽/（4？仔RAM） （1）

UN=I？籽/（4？仔RAN） （2）

其中，UM、UN為M、N點之電位，V；I為供電電流強度，A；ρ為均勻空間介質電阻率，Ω·m；RAM、RAN為觀測點M、N到點電源Ai的距離，m。所測的視電阻率ρS=KΔUMN/I，K為裝置系數，ΔUMN=UN-UM[5]。

2 工程實例

2.1 礦區概況

礦區地處貴州高原向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶，是巖溶分布最為集中和典型的地區。礦區及周邊出露的地層由老到新分別為二疊系中統茅口組、二疊系上統吳家坪組、長興-大隆組。其中二疊系上統吳家坪組第二段（P3w2）為本區主采煤層，底為薄及中厚層燧石層夾灰巖透鏡體。礦區內遺留了較多小窯采空區及溶巖空洞發育，這就為礦區內的安全開采帶來隱患，所以清楚掘進巷道前方是否存在溶巖空洞、老采空區等水患對礦井生產具有重大意義。

2.2 工作布置

本工程用YDZ50型礦用本安并行直流電法儀在井下運輸巷和回風巷內布置各布置1條物探線。本次巷道掘進頭超前探測采用三點三極超前探測方法，該方法由3個三極探測裝置組成，在巷道掘進頭以一定間距布置3個供電電極，另一供電電極布置在無窮遠處。測量電極MN以一定間距向巷道后方移動，對于每個測點，分別測量3對電極所對應的視電阻率值。三點三極探測技術可以利用同一組MN測量的三組視電阻率值進行校正，消除干擾，提高解釋準確度[6]。

每條物探線打孔30個，孔間距為4m，孔深約0.3m。在現場工作時，首先將先前準備好的鹽與黃泥混合填堵鉆孔，然后將銅電極插入孔中，保證銅電極能夠與圍巖盡量接觸良好。然后，在距巷道迎頭4米，沿巷道掘進方向以等間距（4m）后退布置供電電極M1、M2、M3，將另一供電極B布置在即無窮遠處。最后從M1、M2、M3順巷后退4m，以4m間距順巷道布置測量電極MN，同時測量電壓和電流計算視電阻率，依次移動電極MN完成測量直至探測工作結束。完成數據采集后對數據進行反演得出數據處理圖如下：

圖3 運輸巷掘進頭超前探測結果

圖4 回風巷掘進頭超前探測結果

井下不同巖礦石的電性參數[7]如下：

表1 井下不同的巖礦石電性參數統計表

根據井下不同巖礦石的參數可知在運輸巷前方0-25m、65-85m及回風巷0-10、30-50m、65-110m處存在低阻異常（ρs<100）區域，但不能準確判斷區域面積也不能進一步的推測異常來源。結合礦井開拓資料我們在運輸巷和回風巷的上方地面布置第一條高密度勘探線，在運輸巷前70m，也即回風巷前45m處（此位置處于兩條巷道的低阻異常區域）地面布置第二條高密度勘探線，在回風巷前80m處（此位置處于回風巷第二個低阻異常區域）布置第三條高密度勘探線。這樣測量結果就可反映出在異常區域垂向剖面上異常區域范圍，進而在測量區域形成一個較為立體的異常范圍。布置的高密度勘探線點距10m，電極數分別為120、90、120，剖面分別為1200m、900m、1200m。完成數據采集后對數據進行反演得出數據處理圖如下：

圖5 高密度電法儀1線反演處理結果

圖6 高密度電法儀2線反演處理結果

在高密度電法探測結果中，地層巖性電性特征[8]可見表2。

結合地質資料圖5中的高阻電阻異常區域K1、K2、K3、K4應為為礦井巷道，雖然在井下巷道超前探中，運輸巷和回風巷前10m處均存在低阻異常，但其周圍是視電阻率不大且都比較平均，可推測推斷巖溶裂隙半填充，對開采基本無影響，在G1-G5處存在還存在明顯的低阻異常但離開采范圍較遠不影響開采。在高密度探測結果圖6、圖7中低阻（ρs<600）異常區域I1，結合井下巷道探測結果其低阻異常區域可在空間做一定的呈現，在結合礦區內的地質資料，可推斷為溶巖空洞或由巖體節理裂隙發育、破碎富水引起。根據以上信息對實際生產做出了指導，并在后續的生產掘進過程對其驗證確定低阻異常區域為溶巖空洞引起。確定了此次綜合物探具有較好的效果。

3 結束語

高密度電法與井下巷道超前物探技術都是現在應用較廣的礦井物探技術，但其都存在有缺點，通過以上工程可看出：（1）對于井下巷道超前物探技術為井下操作其設備輕便，便于攜帶，探測區域為巷道正前方對掘進區域預測范圍較大，但其作業受巷道長度影響較大，且不能對掘進區域周圍含水情況進行預測故其不能對水患來源進行較為準確的推測。（2）對于高密度電法為地面操作其具有受地形影響小，探測范圍為垂直地面的平面探測面大可對巷道周圍含水情況進行大體推斷，確定水患來源等優點，但其不方便攜帶且探測面為垂直地面向下的面，對于巷道正前方范圍水患預測預測范圍小等缺點。

通過進行以上兩種不同的物探方法來綜合推斷巷道掘進中的水患存在情況可進行技術上的互補為以后的掘進生產提供更為精確的水患預測，減少鉆孔工作量。綜合物探技術根據具體地質任務，對不同物探方法進行合理組合（平面和垂向），達到相互彌補、映證目的，能得到更合理、客觀的探測結論，從而提高勘探效率及效果。

參考文獻

[1]劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質出版社，2003.

[2]何繼善.電法勘探的發展和展望[J].地球物理學報，1997，40（增）：308-316

[3]李金銘.電法勘探方法發展概況[J].物探與化探，1996，20（4）250-258。

[4]程志平.電法勘探教程[M].北京：冶金工業出版社，2007

[5]李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005

[6]劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，2005.

[7]付良魁.電法勘探教程[M]. 北京：地質出版社，1985.

[8]劉傳正.地質災害勘查指南[M].北京： 地質出版社，2000.

作者簡介：齊飛（1988-），男，山東臨沂，在讀研究生，從事電法勘探研究。

通訊作者：張義平，男，貴州大學教授。