音頻電法透視技術在界溝礦井水害防治工作中的應用

陳繼福，趙慶珍

（1.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同037003;2.山西能源學院，山西太原030600）

礦井水害是影響煤礦安全的五大災害之一，在防治礦井水害工作中，常常采用鉆探結合物探的方式進行超前探放水，物探方法包括電阻率法、瞬變電磁法、音頻電法透視等。界溝煤礦在多年的煤層開采過程中，形成了大量的老空區，就該礦目前正在開采的10#煤層而言，還受到頂底板含水層的影響。為了消除水害的威脅，保證煤礦正常生產，本文依據近幾年的工作經驗以及界溝實際地質情況，選擇用音頻電法透視技術探測煤層頂底板及采空區富水性。

1 界溝煤礦水文地質概況

界溝煤礦10#煤層的開采主要受頂板砂巖水及底板太原組灰巖水的影響，同時上部采空區的富水性也會構成威脅，各主要含水層（體）特征如下：

（1）頂板砂巖含水層：10#煤層頂板以中砂巖、細砂巖和粉砂巖為主，且比較致密，裂隙也不太發育，故其富水性差，地下水補給、徑流、排泄條件差，處于封閉至半封閉的狀態，預計正常涌水量為20 m3/h。

（2）底板太灰含水層：根據鉆孔資料，井田范圍內所發育的太原組地層，最大厚度達到了135.09 m，發育的石灰巖有12～15層之多。其中三灰和四灰厚度分別為11.08 m和11.68 m，其富水性與巖溶裂隙的發育程度呈正相關。從目前所查明的資料來看，在界溝井田的淺部，巖溶裂隙是比較發育的，而在深部則是逐漸減弱的。

10#煤層1021工作面長64～150 m，順槽長980 m，位于東一采區。根據中央采區和1020 工作面底板注漿加固的資料，10#煤層底板太灰富水。1021 工作面下距太灰頂53 m 左右，太灰水靜止水頭高為-110 m，運輸順槽底板標高-393 m，煤層底板最大水壓2.83 MPa，屬帶壓開采，見圖1。

圖1 10#煤層底板至太原組一灰頂間距等值線

經過分析研究認為，在回采10#煤層過程中，底板太灰含水層為主要的礦井水源之一,預計由此含水層導致的涌水量為117 m3/h。

（3）斷層水：根據鄰近揭露資料，預計回風順槽將揭露落差為3.0 m 左右斷層，運輸順槽將揭露落差為4.0 m 左右的FS29斷層。另據推測，切眼下部端頭附近可能揭露落差為8 m 左右的延伸斷層DF11。從已查明的水文地質資料來看，以上斷層富水性都比較弱，預計最大涌水量137 m3/h，正常涌水量20 m3/h。

2 地球物理特征及音頻電透視技術原理

2.1 地球物理特征

煤系地層是沉積作用的產物，具有明顯的沉積層序，不同巖性的地層之間存在著較為明顯的導電性差異。正常情況下，煤層和石灰巖表現為高阻值，砂巖次之，粘土巖類表現為低阻值，水體阻值最低。由此可見，不同巖性的巖、煤層與水體之間有明顯的電性差異[1-3]，見表1。

表1 一般煤系地層常見巖石電阻率值

由于水體相對于其他固體介質，具有良好的導電性，當圍巖裂隙、破碎帶含水或存在采空區積水時，存在局部低電阻率異常區域，含水性越強，電阻率越低，電導率越高，異常幅度越大，如果不含水，則表現為局部高阻率異常。斷層兩側靠近斷層面附近的煤層常常存在變薄現象，這樣的地帶表現為相對低阻率，而在厚煤層發育的區域電阻率相對變高[4-5]。

實際情況表明，富水區域及煤層變薄帶等與正常沉積的巖（煤）層之間存在著明顯的電性差異。

2.2 音頻電透視技術原理

音頻電透視法屬于直流電偶極接地探測技術，是以全空間電場分布理論為基礎，以巖石、地質構造等電性分布規律差異為應用前提的地球物理勘探方法[6]。

煤系地層作為含煤的沉積巖系，具有較為清晰的沉積序列，其沉積特性決定了在縱向上的導電性表現為規律性的變化，在橫向上則相對穩定。當煤系地層中的巖溶、裂隙充水含水時，就會打破地層導電性在縱向上所固有的變化規律和橫向上的相對穩定性，正是由于煤系地層的巖性變化，為音頻電透視法勘查的應用與實施提供了良好的地球物理條件[7-11]。礦井音頻電透視法就是利用專門的儀器在井下觀測人工場源的分布規律來達到解決地質問題的目的。

3 現場測點布置

本次音頻電透視探測自1021 工作面的開切眼兩個端頭開始，發射點分別布置在回風和運輸順槽中，間距為50 m，且在相對應的巷道中以扇形掃描的方式進行接收，見圖2。

圖2 工作面音頻電穿透施工布置圖

工作面音頻電穿透施工過程中，在回風和運輸順槽中分別布置了20個和21個發射點，每一個發射點對應15～21個接收點，并利用巷道里的測量點進行校對。回風順槽中的測點編號為1#～96#，運輸順槽中的測點編號為1#～101#。采用128 Hz、64 Hz、32 Hz、16 Hz四個頻點依次測試。兩條順槽巷實際完成的物理點分別為96和101，點距10 m，兩巷的測線長分別是950 m和1 000 m，合計1 950 m，見圖3。

圖3 現場測線布置圖

4 探測結果

4.1 數據處理

對于數據的處理，首先要建立一個平面直角坐標系，以1021 工作面開切眼與運輸順槽的交點為原點，工作面走向為x軸，工作面傾斜線方向為y軸，為每一組發射—接收觀測電極建立坐標，然后利用所給定的數據格式文件進行CT反演[12]，獲取工作面內巖（煤）層的電性參數，采用Surfer 軟件繪制電阻率等值線圖[13]。

4.2 底板探測結果

1021工作面巖層底板下的綜合電性響應，見圖4～圖7。總體來看，工作面底板音頻電透視的視電導率值分布在0.4～12.5 S/m范圍內，根據數據體的統計分布特征，確定異常區的視電導率閾值為4.8 S/m，即大于4.4 S/m的視電阻率等值線區為異常區。依據此閾值原則，結合地質資料分析，認為1021工作面底板存在4 處低阻異常區，分別為FYC1、FYC2、FYC3和FYC4，為相對含水區，見圖8。

圖4 1021底板0～20 m音頻電透探測成果圖

圖5 1021底板20～40 m音頻電透探測成果圖

圖6 1021底板40～60 m音頻電透探測成果圖

圖7 1021底板60～80 m音頻電透探測成果圖

圖8 1021底板音頻電透探測異常平面圖

4.3 頂板探測結果

1021 工作面頂板上巖層的綜合電性響應，見圖9～圖12。總體來看，工作面頂板音頻電透視的視電導率值分布在0.4～7.5 S/m范圍內，根據數據體的統計分布特征，確定異常區的視電導率閾值為3.6 S/m，即大于3.6 S/m的視電阻率等值線區為異常區。依據此閾值原則，結合地質資料分析，認為1021 工作面頂板存在5 處低阻異常區，分別為FYC5、FYC6、FYC7 和FYC8，為相對含水區，見圖13。

圖9 1021頂板0～20 m音頻電透探測成果圖

圖10 1021頂板20～40 m音頻電透探測成果圖

圖11 1021頂板40～60 m音頻電透探測成果圖

圖12 1021頂板60～80 m音頻電透探測成果圖

圖13 1021頂板音頻電透探測異常平面圖

5 結語

（1）音頻電透視法為煤礦井下防治礦井水害提供了一種便捷、有效的技術手段。但是，音頻電透視法和其他物探技術一樣，有其適應性，在實際探測應用中，要善于探索總結。

（2）由于受井下電法探測深度（或高度）的限制，實際上成果資料反映的水文地質信息僅局限于一定深度（或高度）范圍內的水文地質條件，而礦井涌水還與補給條件、相關的含水構造發育連通情況、水頭壓力及煤層厚度、采煤方法、回采速度等諸多因素有關，隨著上述因素的不斷變化，礦井涌水量、涌水位置和時間也會在一定程度上發生變化。因此，在回采過程中要加強水文觀測及資料收集，發現異常要及時反饋，并采取相應的防治水措施進行治理。