電法類物探技術在煤礦工作面突水防治中的應用

周小龍

（安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232001）

電法類物探技術在煤礦工作面突水防治中的應用

周小龍

（安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232001）

本文分析了適用于煤礦工作面突水防治的幾種電法類物探技術的基本原理和工作方法。雙巷電法、音頻電透視和無線電波透視技術對相對低阻的含水層和導水通道都有較好的反映。以物探探查結果為指導，結合鉆探工程可以有效地進行煤礦工作面的突水防治工作。

礦井突水;直流電法;音頻電透視;無線電波透視技術;工作面

0　引言

煤礦水害是僅次于瓦斯災害的第二大煤礦災害性事故，隨著我國煤礦的開采深度逐年加大，面對更加復雜的開采條件，突水、淹井等煤礦水害事故也不斷發生。礦井突水是由于煤層下伏承壓水或相鄰采空區的老空積水沖破煤層底板隔水層、防水煤柱的阻隔，以突發、緩發或滯發的形式進入工作面，造成礦井涌水量增加或淹井的地質及采動影響現象。我國煤礦地質條件和開采條件差異很大，松散地層水、砂巖裂隙水、灰巖巖溶水、老空水等都可能成為工作面突水水源之一，復雜的地質構造條件、深部煤層的開采及老空區的存在進一步使得突水防治工作越來越困難[1]。目前，隨著煤礦防治水工作研究的不斷開展，已有多種物探技術運用于煤礦的水害防治，而電法類物探技術通常對礦井水的探測效果較靈敏，如礦井工作面雙巷電法、音頻電透視法、無線電波透視探測技術等。本文對這些探測技術在礦井突水中的應用進行了分析總結。

1　礦井突水物探探測的地球物理基礎

礦井突水的兩個基本條件水是水源和通道。礦井工作面突水事故是由于采動影響的頂底板巖層變形引起周邊原生裂隙及次生裂隙相互連通，形成導水通道而導通周邊的含水層所致。煤系地層突水的主要含水部位為砂巖和灰巖的含水裂隙區及充水的老窯區，而突水的通道主要為裂隙帶、斷層帶和陷落柱等，這些含水部位和導水通道與正常巖層間均表現出顯著的電性差異。電法勘探主要針對巖層中的電阻率差異常來進行探測，含水體及導水通道通常具有顯著的低電阻率特征，而不含水的裂隙帶、斷層帶和陷落柱則表現為顯著的高電阻率特征。因此，適合采用電法類物探技術來探測可能的含水體和導水通道，從而指導工作面突水的防治工作[2]。

2　礦井工作面水害探查常用物探技術

2.1 礦井工作面雙巷電法

礦井工作面雙巷電法屬于直流電法[3]，在工作面巷道中進行。為減少現場探測時間，通常采用網絡并行電法儀進行探測。并行電法通過一次布設多道電極，在一次供電時，可以同步采集測線上各電極點電位變化情況，提升工作效率的同時還削弱了游散電流等干擾因素帶來的影響，進而提高了直流電法采集數據的信噪比，大大增加了探測的準確性。數據采集方式有AM法和ABM法，可實現所有直流高密度電法探測（如溫納二極、三極、四極等）數據反演。通過將電法測線布置在已掘巷道中煤層的底板或頂板上，以此來觀測不同位置不同標高的電位變化情況，再利用雙巷三維電法反演，可以得出工作面底板或頂板范圍內的電阻率分布情況，從而實現在三維空間圈定相對富水區。

雙巷電法測線主要沿巷道布置，對巷道周邊的電性變化特征靈敏，但對遠離巷道的富水區范圍探測精度降低。巷道內的金屬管道、金屬設備對該方法探測的影響相對較小，且該方法的探測結果通常可靠性較高[4]。如圖1所示的是利用雙巷三維并行電法對皖北煤電某工作面底板灰巖賦水情況探測得到的結果，共圈定了5個較強的相對低阻區作為富水區，與鉆孔探放水資料相吻合。針對這些富水區進行了底板注漿加固工作，封閉了可能的裂隙導水通道，確保了工作面的安全回采。

圖1　某工作面雙巷三維并行電法探測結果圖

2.2 音頻電透視法

礦井音頻電透視法以巖石導電性差異及全空間電場分布理論為基礎，向地下人工供入音頻電流，利用穿過采煤工作面由供電點到測量點電流線的電位降數據，通過層析成像技術給出工作面內電性變化圖像，可以探查工作面頂底板一定深度范圍內的含水異常區[5]。該法在井下工作時采用軸向單極-偶極法進行數據采集，即位于采煤工作面一條巷道中布置供電電極A，供電電極B置于無窮遠處，在對面巷道中布置測量電極對（M、N電極）。根據工作面的寬度，在與供電電極A對應位置兩側一定范圍內布置多個測量電極對（M、N電極），采用扇形區域接收(如圖2所示)。通過對巷道1內所有供電電極重復測量，確保測區內各單元均被覆蓋，之后交換順序，將供電電極布置于巷道2中，將接收電極布置于巷道1中，按照同樣方式進行探測。含水范圍接收的MN電位差曲線通常明顯偏低，這樣可以確定含水區影響的范圍，通過多點透視電位數據可以實現對含水異常區的圈定。這樣的探測方式可以較好地壓制來自探測區域外的干擾，突出工作面內部頂底板中含水體的影響，提高探測結果的精確度。

礦井音頻電透視法的優點在于采用低頻波建立人工電場，設定對應的接收頻率，這樣可以更好地避免其它頻率信號造成的干擾，同時在井下抗電流干擾能力強，探測距離大。該方法對范圍較大的低阻區通常有明顯的反映，特別是對工作面中部的富水區反映較好，但是該方法不能很好地區分富水區存在于底板還是頂板，因此還需要進一步探查驗證[6]。

圖2　礦井音頻電透視法探測示意圖

2.3 無線電波坑透技術

礦井無線電波坑道透視技術屬于高頻電磁波勘探技術，主要應用于探測煤層內陷落柱、斷層、煤層變薄區等地質異常范圍的分布情況。電磁波在煤、巖層中傳播時，其強度大小由煤巖電性參數決定[7]。當電磁波在穿越工作面煤層的過程中，低阻巖層會較強地吸收電磁波，若遇到與煤層電性不同的地質體如斷層、陷落柱、含水帶、頂板垮塌或其它地質構造時，會產生折射、反射作用，電磁波能量會被吸收或完全屏蔽，接收信號明顯減弱，或者完全接收不到，出現透視異常現象。井下坑透法一般在兩巷道間進行，如在回風巷布置發射點，向煤層中發射某一頻率的電磁波，利用安置在運輸巷的接收機觀測電磁場場強H信號。觀測時通常采用定點法，對一巷道內發射點的發射信號，在另一巷道設計多點進行觀測，形成扇形觀測范圍。通過不同發射點的綜合曲線圖，可以分析地質異常變化情況，也可以采用層析成像反演的方法，得到工作面場強平面分布圖和吸收系數平面分布圖，以此來研究地質異常體的平面范圍。

含水陷落柱通常具有顯著的低電阻率值特征，可對電磁波進行強烈地吸收，導致在坑透綜合曲線圖上出現“漏斗型”或“U”字型特征，在吸收系數圖上表現為顯著的高吸收系數值。而斷層帶由于斷層產狀、斷距大小及斷層走向長度的不同，以及由于發射點和接收點與斷層相對位置的不同，斷層透視異常曲線的形態多樣。透視綜合曲線對斷層的反映一般是衰減系數η＜0dB的低值異常，在吸收系數圖上表現為較高的吸收系數值。通常斷層落差越大，η值越小，斷層影響范圍計算出的煤巖層吸收系數值越大[8]。

3　電法類物探技術在煤礦工作面突水防治中的應用

對于可能存在突水的煤礦工作面，井下物探工作通常在工作面貫通以后，煤層回采以前進行探測。若煤礦突水的威脅程度較小，通常采用一種物探方法即可；而對于煤礦突水威脅程度較大的情況，則通常采用二種以上的物探探測方法來進行探測。對于探測出的地質異常區，由于物探結果存在多解性，并不能作為最終的決策依據，往往需要結合鉆探進行驗證[9]。對于物探探測出的相對富水區，可以采取針對性的鉆探布置方案，在相對富水區內適當加密探放水鉆孔，而在相對富水區外，則可以適當減少鉆探工作量，以優化鉆孔的設計方案。對于可疏放水富水區，往往采用鉆孔疏放水的方法針對富水區范圍放水以消除突水來源；對于無法進行疏放水的富水區，往往采用注漿加固的方法來封閉斷層、裂隙或陷落柱等導水通道，從而增加隔水層厚度，以達到防治水安全規定要求[10]。

4　結論

（1）煤礦工作面突水的充水水源區和導水通道與圍巖具有顯著的電性差異，適宜于采用電法類物探技術進行探測。

（2）工作面雙巷電法、音頻電透視和無線電波透視技術是煤礦工作面突水預防的有效探查手段，結合鉆探工程，可以有效地消除突水隱患。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.078

周小龍（1989-）,男,安徽黃山人,碩士研究生,研究方向:工程與環境地球物理勘探。