綜合電法在煤層底板含水性探查中的應用

李文剛

(中煤科工集團西安研究院有限公司電法勘探技術研究所，陜西省西安市，710077)

目前，煤礦開采技術得到了很大的提高，但是由于許多煤田的水文條件、地質構造、外部環境等因素十分復雜，在受到巖溶水層的巨大壓力時，部分煤層在開采過程中可能受到礦井突水的威脅。近年來，斷層通水、采空區積水等造成的煤礦突水事故時有發生，可見，勘查礦區水文地質情況、探明通水積水分布，治理斷層突水、采空區積水問題，提前采取必要的防水措施，對于煤礦安全生產來說十分必要。

本文根據探測區域開采揭露的實際地質情況，采用礦井音頻電穿透技術和礦井高分辨率直流電法，探查工作面底板0～80m范圍內的含賦水性異常分布，并根據資料處理成果圖件和已知的地質資料相結合進行分析和解釋。

1 富水構造的地球物理響應

礦井在掘進及工作面回采的過程中，巖層的天然平衡將被破壞，周圍的水體常通過斷層、陷落柱、溶洞、溶穴、隔水層以及巖層最薄弱的地方進入采掘工作面。其中，陷落柱是巖溶裂隙在地下水的溶蝕及水動力作用下逐漸發育和擴大，而在地質構造力和上部覆蓋巖層的重力長期作用下塌落下沉。通常陷落柱會成為地下水的良好通道，常誘發礦井水患，同時破壞了煤層的連續性，影響了煤礦生產建設的正常進行。

通過電性特征分析巖性不同的地層，一般情況下灰巖和煤層的電阻率值較其他巖石電阻率高、砂巖的電阻率次之、而粘土巖類的電阻率最低；根據這種電性規律可知，泥巖和粘土巖等圍巖與灰巖和煤層等目標巖層的導電性有著明顯差異。在不受構造變動改造的情況下，沉積地層的電性特征在縱向上保持著一般的變化規律，而在地層的橫向變化相比之下較為均一。當沉積地層在構造變動產生破碎帶時，若構造內不存在積水或含水量很小的情況下，地層的導電性能較差，導致測量的電阻率值較高；若構造內存在大量積水，由于地質體積水后相當于良導體，他與不含水的圍巖存在明顯的導電性差異，在測量結果中呈現電阻率低值，容易識別。總之，沉積地層中如果存在斷層或陷落柱等地質構造，并且存在積水的情況下，在含水構造與煤層或圍巖的接觸邊界兩側存在著明顯的電性差異。由于電法勘探技術是以導電性差異作為理論基礎的，因此上述的電性特征為實施電法勘探提供了很好的地球物理前提。

2 物探方法的選擇及必要性

目前，煤礦工作面底板含水性探測中用到的物探方法很多，各種方法都有各自的優缺點。例如，反射地震法、常規直流電法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法等。本次勘探選擇了礦井音頻電穿透法和礦井直流電法，主要原因如下:

(1)測區內地層相對穩定，沉積序列清晰。正常地層組合條件下，地層電性特點在橫向與縱向上都有固定的變化規律，使用工作面礦井音頻電穿透法技術能探測工作面底板中的平面上的低阻含水構造分布特征；

(2)礦井直流電法主要用于單獨探測工作面底板中的地質構造，可以發現垂直于地層方向上不同深度的地質構造問題；

(3)為了真實準確地反映地下含水構造的埋深、分布形態等，進行綜合勘探、對比分析能達到聚焦、立體探測的目的。

3 電法勘探實例分析與解釋

本次勘探區域位于安徽省濉溪縣西北劉橋鎮境內的劉橋第一煤礦，該礦在東北方向上距淮北市約12km，東距濉溪縣約7km，井田呈北東—南西向展布，礦井走向長7km，傾向寬1.5～2.0km，礦井面積為14.2604km2，生產能力為130Mt／a。礦井范圍內無基巖出露，均被新生界松散層所覆蓋，經鉆孔揭露，地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系和第四系。劉橋一礦3＃、4＃煤層均受到七含砂巖裂隙水和太灰巖溶承壓含水層的影響，對煤礦的正常生產造成了較為嚴重的安全隱患。因此，需查明該工作面的水文地質情況，為工作面的采前防治水及回采過程中采取適當技術措施提供依據。

3.1 音頻電穿透法

本次音頻電穿透法分兩個層位進行勘探，勘探工作面底板下不同深度層段音頻電穿透成果如圖1、圖2所示，運輸巷、回風巷均以工作面煤壁為起點，以10m為點距編號標點，運輸巷設36個坐標點，回風巷設35個坐標點，工作面設19個坐標點。圖1、圖2中等值線值表示視電導率，單位為西門子／米 (用S／m表示)，視電導率等值線圖主要反映4＃煤層底板砂巖含水層的富水情況。由圖1可以看到主要有2處視電阻率低阻異常區，在底板下第七含水層段附近，1號低阻異常區位于工作面回風巷西和工作面之間，異常條帶性較強，范圍較小，異常幅度相對較強；2號低阻異常區主要位于工作面回風巷東和運輸巷東之間，異常條帶性較強，范圍較大，異常幅度相對中等。圖2為勘探工作面底板下40～80m深度層段音頻電穿透成果圖，此處也可以看到2處視電阻率低阻異常區，1號低阻異常區零星分布在工作面和回風巷西，范圍較小，異常幅度相對較強；2號低阻異常區主要位于工作面回風巷東和運輸巷東之間，異常條帶性較強，范圍較大，異常幅度相對中等。

圖1 0～40m深度層段音頻電穿透成果圖

不同層段地層視電導率特征參數統計如表1所示，從兩個不同高度層段巖層視電導率平均值、標準偏差等參數比較可看出:40～80m層段比0～40m層段巖層的視電導率大；0～40m層段主要是第七含水層，40～80m層段主要是第八含水層，結合地質資料說明底板下40～80m巖層局部賦水性相對較強。

圖2 40～80m深度層段音頻電穿透成果圖

表1 音頻電穿透異常特征參數統計表

3.2 高分辨率直流電法

針對上述分析得到的富水性分布結果，本次勘探在工作面上選擇了3條測線進行直流電測深勘探，以進一步分析和確定工作區的富水情況。運輸巷、回風巷以及工作面的高分辨直流電法成果如圖3、圖4、圖5所示，圖中等值線值表示視電阻率相對幅值；運輸巷、回風巷均以工作面煤壁為起點，均設33個坐標點，工作面煤壁設19個坐標點，坐標點均以10m為點距。運輸巷底板下方主要發育有2處相對低阻異常區，如圖3所示，其中1號異常區的范圍相對較小，主要在4＃煤層底板砂泥巖層段附近；2號異常區的范圍相對較大，在4＃煤層底板砂泥巖層段和第八含水層均有，且第八含水層異常范圍較大。回風巷底板下方主要發育有2處相對低阻異常區，如圖4所示，其中1號異常區的范圍相對較大，主要在第八含水層段附近；2號異常區的范圍相對中等，在4＃煤層底板砂泥巖層段。工作面底板下方主要發育有1處相對低阻異常區，異常區范圍較大，其平面位置基本與揭露的疑似陷落柱一致，軸心稍微向回風巷方向傾伏，從異常區的形態來看，低阻異常在縱向上有一定的連通趨勢。為了查明工作面底板下低阻異常區的平面分布形態，對泥砂巖層段和第八含水層附近的不同深度段切出30m、60m深度的低阻異常平面圖，如圖6、圖7所示。圖6反映4＃煤層底板下30m附近砂泥巖層段的裂隙發育情況，圖上2處異常區分別對應了音頻電穿透結果中的2處異常區。其中，1號異常區范圍中等，異常幅度相對較大，異常幅值相對較強的區域靠近工作面；2號異常區條帶性較弱，范圍中等，異常幅度相對中等。圖7反映4＃煤層底板下60m附近砂巖含水層段的裂隙發育情況。其中，1號異常區范圍中等，異常幅度相對較大，異常幅值相對較強的區域靠近工作面；2號異常區條帶性較弱，范圍較小，異常幅度相對較小。

圖3 運輸巷底板視電阻率低阻異常斷面圖

圖4 回風巷底板視電阻率低阻異常斷面圖

圖5 工作面底板視電阻率低阻異常斷面圖

3.3 異常性質分析

結合劉橋一礦采掘工程平面圖和上述勘探資料來看，1號異常區為本次井下綜合電法探測的主要異常區，位于工作面揭露的陷落柱和數條小斷層附近，受劉橋向斜和疑似陷落柱的影響，底板下砂泥巖隔水層相對比較破碎，尤其是在疑似陷落柱附近，深部也存在比較明顯的低阻異常，異常也有向斜上方導升的趨勢，推測該異常主要是第八含水層裂隙比較發育且相對賦水所致。音頻電穿透與高分辨率直流電法在該異常處對應較好，整體而言1號異常區在淺部異常范圍較大，分析主要是淺部砂泥巖造成的，深部相對淺部異常范圍較小。2號異常區在兩種方法中都有反應，該異常區主要位于劉橋向斜的西翼，受向斜構造的影響，底板下砂泥巖隔水層相對比較破碎，深部也存在比較明顯的低阻異常，異常在局部位置也有向斜上方導升的趨勢，推測該異常區主要是第八含水層裂隙比較發育且相對賦水所致。

圖6 30m深度附近巖層低阻異常平面圖

圖7 60m深度附近巖層低阻異常平面圖

4 結論

本次井下綜合電法勘探工作采用的音頻電穿透法和高分辨率直流電法選擇合理，探測了工作面底板含水層含水性異常區的賦存位置和分布特征。主要成果為:根據物探資料在工作面底板共發現了2處低阻異常區，1號異常區位于工作面揭露的陷落柱和數條小斷層附近，2號異常區主要位于劉橋向斜的西翼，受向斜構造的影響，推測兩處異常區主要是第八含水層裂隙比較發育且相對賦水所致。

鑒于以上的勘探結果，在勘探工作面內應注意將勘探異常區 (以2處異常區為主)作為回采前防治水工作重點區。低阻異常區是客觀存在的，能否通過裂隙、構造導升并發生突水，則受諸多人為因素影響和控制，地下水的突出必須具備一定的水文地質條件，礦井電法勘探結果與已知地質資料、水文地質資料結合起來綜合分析，為煤礦安全生產和建設提供了理論依據和保證。

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