井下電法探測(cè)煤礦水患致災(zāi)因素的應(yīng)用

張 池，孫 偉，張奮軒

(1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316；2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

近年來(lái)，隨著煤礦開采深度的不斷增加，水害的威脅日趨嚴(yán)重，淹井傷人事故頻繁發(fā)生，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，也嚴(yán)重制約著煤炭工業(yè)的發(fā)展。井下電法勘探對(duì)水體反映靈敏，而且多種多樣的方法可以分別應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)煤礦水害探測(cè)具有重要意義。文中主要介紹了井下瞬變電磁法、井下直流電法和音頻電透視法在實(shí)際生產(chǎn)工作中的應(yīng)用效果，并探討了進(jìn)一步發(fā)展的方向和建議。

1 井下電法探測(cè)方法及其應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)在煤礦水害探測(cè)方面最常用的井下電法勘探方法是井下瞬變電磁法、井下直流電測(cè)深法、井下直流三極超前探測(cè)法和音頻電透視法，均屬于全空間中的電法勘探，分別應(yīng)用于掘進(jìn)巷道的超前預(yù)報(bào)、工作面前方的含水異常探測(cè)及工作面頂、底板中的含水異常探測(cè)。

1.1 井下瞬變電磁法[1-4]

井下瞬變電磁勘探的原理和地面方法一樣，都是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。但是井下瞬變電磁為全空間瞬變響應(yīng)(圖1)，這種響應(yīng)來(lái)自于回線平面兩側(cè)的地層。

圖1 地下全空間TEM信號(hào)擴(kuò)散示意圖

相對(duì)地面瞬變電磁勘探，井下瞬變電磁法一般采用的線框小于3 m，設(shè)備輕便，工作效率高；而且由于采用了小線框密集采集方式，可以有效降低體積效應(yīng)，提高勘探的分辨率；同時(shí)井下測(cè)量裝置因其更靠近異常體，從而大大提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比。此外，井下瞬變電磁還可以將線圈平面以任意角度放置來(lái)進(jìn)行巷道內(nèi)各個(gè)方向在一定范圍內(nèi)的富水異常分布。

圖2為陜西某煤礦機(jī)巷瞬變電磁超前探測(cè)成果示意圖。圖2(a)為底板方向探測(cè)成果，可以看出底板方向電性變化較平穩(wěn)，視電阻等值線分布均勻，并無(wú)明顯扭曲和閉合特征；視電阻率值較高，可認(rèn)為其富水性較弱。圖2(b)為頂板方向探測(cè)成果，可以看出在迎頭前方偏右側(cè)幫15°方向附近出現(xiàn)視電阻率明顯降低，等值線呈半閉合狀，分析認(rèn)為其含水可能性較大。經(jīng)實(shí)際揭露和鉆探驗(yàn)證，在巷道右側(cè)15°方向存在一斷距為5 m的正斷層，并未斷至底板；鉆探在巷道頂板方向偏右側(cè)7°和15°方向鉆至45 m處出水，出水量為3 m3/h，而在底板方向無(wú)出水情況。證明了探測(cè)分析結(jié)果的正確性。

a-底板方向;b-頂板方向圖2 陜西某煤礦機(jī)巷瞬變電磁超前探測(cè)成果

井下瞬變電磁在礦井水害探測(cè)方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，是目前探測(cè)巷道前方各類水體異常應(yīng)用最廣的方法。但也存在自身缺陷，易受井下金屬物體和鐵器的干擾，而且由于關(guān)斷時(shí)間的影響存在一定范圍的勘探盲區(qū)(20 m左右)，還存在低阻屏蔽問題，不能準(zhǔn)確定位異常距離。今后一方面要針對(duì)方法本身提高處理解釋精度，另一方面需要同其他勘探方法相結(jié)合互補(bǔ)不足。

1.2 井下直流電法

井下直流電法勘探，以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，在全空間條件下建場(chǎng)，使用全空間電場(chǎng)理論處理和解釋有關(guān)礦井地質(zhì)問題。針對(duì)不同的地質(zhì)問題，根據(jù)其電極排布和移動(dòng)方式又衍生出多種勘探方法。其中井下直流測(cè)深法是通過研究深度方向地層電性變化，獲得地質(zhì)特征信息的方法。它在同一觀測(cè)點(diǎn)逐次增大供電電極距，使電流穿透的深度由小變大，從而觀測(cè)到該測(cè)點(diǎn)處沿深度方向由淺到深地層的電性變化特征；而三極超前探測(cè)則是通過3個(gè)電極交替供電，利用幾何交匯的原理來(lái)消除頂板、底板和后方的影響，達(dá)到探測(cè)迎頭前方地質(zhì)異常的目的[6]。

圖3為陜西某煤礦機(jī)巷直流超前探測(cè)成果示意圖。探測(cè)結(jié)果顯示在巷道前方40～45 m范圍有一低阻異常存在，經(jīng)實(shí)際揭露，巷道掘進(jìn)至該處時(shí)頂板裂隙發(fā)育并伴有淋水現(xiàn)象。

圖4為陜西某煤礦巷道底板直流電測(cè)深斷面圖。推斷解釋了3處富水異常區(qū)，其中1號(hào)異常區(qū)視電阻率值較低并形成低阻閉合圈，認(rèn)為其含水可能性較大；2號(hào)異常區(qū)的頂板上方存在上覆煤層采空積水區(qū)，分析認(rèn)為異常應(yīng)為上部積水影響所致；3號(hào)異常區(qū)范圍較小，異常主要集中在淺部，可能是底板附近的砂巖層含水。

圖3 陜西某煤礦機(jī)巷直流超前探測(cè)成果

圖4 陜西某煤礦巷道底板直流超前探測(cè)成果

相較其他勘探方法，井下直流電法的理論體系和實(shí)際應(yīng)用都最為成熟，但因受巷道全空間影響較大，解釋時(shí)往往導(dǎo)致假異常多；施工中由于采集數(shù)據(jù)量大、效率偏低，有時(shí)對(duì)正常生產(chǎn)帶來(lái)一定影響；而且在巷道拐彎處、新開口段等地進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)因?yàn)榭臻g狹小，難以實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離超前探測(cè)，必須輔以其他探測(cè)方法。今后將把減弱巷道全空間影響及提高施工效率作為主要發(fā)展方向。

1.3 音頻電透視法

音頻電透視屬于直流電偶極接地探測(cè)技術(shù)，其電場(chǎng)分布于地下層狀全空間，電流沿最小路徑流動(dòng)，由于不同巖層對(duì)于電流的吸收作用不同，低阻體對(duì)電流具有較強(qiáng)的吸收作用，所以在電流傳播過程中如果遇到含水異常體則會(huì)出現(xiàn)電流被吸收或者屏蔽，導(dǎo)致在巷道對(duì)應(yīng)接受位置的電流密度降低、視電導(dǎo)率增高形成透視異常區(qū)，也即為含水異常區(qū)的位置和分布范圍[6-8]。

音頻電透視法是在一條巷道內(nèi)相應(yīng)點(diǎn)發(fā)射，在另一條巷道對(duì)應(yīng)的一定范圍內(nèi)接收，從而形成一扇形掃描區(qū)?？臻g上則形成一矩形帶，對(duì)所有供電點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。其工作方式如圖5所示，主要用來(lái)探測(cè)工作面頂、底板附近一定范圍內(nèi)的含水構(gòu)造。

圖5 音頻電透視施工方式示意圖

圖6為陜西某煤礦工作面音頻電透視層析成像成果示意圖。經(jīng)過綜合分析最后圈定了11處富水異常區(qū)，異常主要分布于工作面中部，經(jīng)過部分回采揭露，圖6顯示的2處較大的富水異常區(qū)附近頂板均有淋水現(xiàn)象，靠近機(jī)巷附近有多處小的裂隙發(fā)育，整體探測(cè)效果顯著。

音頻電透視法由于是采用低頻波建立人工電場(chǎng)，對(duì)應(yīng)頻率接收，故而具有較強(qiáng)的抗干擾能力。但是其理論體系尚未完善，在對(duì)異常體空間定位以及勘探深度的確定方面還存在一些問題，需要輔以其他探測(cè)手段綜合解釋。此外，如果工作面過寬，接收的電信號(hào)太弱，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證[7-8]。

圖6 陜西某礦工作面音頻電透視層析成像成果

2 井下電法勘探發(fā)展方向

就井下電法勘探自身而言，在超前探測(cè)方面，直流超前探測(cè)難以對(duì)巷道前方水體異常進(jìn)行水量的定量分析；而瞬變電磁可以實(shí)現(xiàn)全方位多角度探測(cè)，能更準(zhǔn)確地圈定異常，但由于低阻屏蔽問題，影響多異常的連續(xù)探測(cè)。所以在今后超前探測(cè)發(fā)展過程中，一方面需進(jìn)一步提高完善處理和解釋精度，另一方面多種方法共同探測(cè)可以更好地確定水體異常。在行巷道頂?shù)装寮肮ぷ髅鎯?nèi)部含水構(gòu)造探測(cè)中同樣存在類似問題，而且隨著綜采工作面寬度越來(lái)越大，直流電法、瞬變電磁法、音頻電透視法的有效探測(cè)距離及探測(cè)精度都會(huì)下降。如何提高探測(cè)距離和探測(cè)精度將是今后主要的技術(shù)研究方向。井下電法勘探的最終目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)施工高效率、數(shù)據(jù)高質(zhì)量、解釋高精度，最大限度地為煤礦防治水提供科學(xué)可靠的技術(shù)支持。

3 結(jié)語(yǔ)

井下電法勘探是井下物探的一個(gè)重要分支，其先進(jìn)性和有效性毋庸置疑，因其自身特點(diǎn)所限，在數(shù)據(jù)處理方面還是資料分析解釋方面都需要不斷提高完善，同時(shí)還需配合鉆探、地質(zhì)、其他物探方法等方面綜合分析解釋，才能取得較為準(zhǔn)確的成果。