直流電法超前探測煤礦巷道前方高阻體

李雄偉

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

關健詞：直流電法；探測；煤礦；巷道；高阻

直流電法是研究與地質體有關的直流電場的分布特點和規律，進行找礦和解決某些地質問題的方法，其利用點電源場的球殼原理，基于巖石礦石的電性差異完成探測。直流電法超前探常被用于探測煤礦井下巷道掘進前方的低阻異常體，如含富水的巷道、破碎帶、陷落柱等等地質構造[1]。這些隱伏地質體含富水或積水時，與圍巖電性差異明顯，容易被探測，但是當不含富水或不積水的時候，則不易被探測，此時仍然影響大型綜采煤礦的掘進及工作面布置，嚴重威脅煤礦安全生產[2-4]。比如不積水的采空老巷道，其是瓦斯的聚集場所，規模小而不易被定位探測，則易在掘進階段引發瓦斯突出[5]。實現快速準確的探測掘進巷道迎頭前方的隱伏危險源，對于保障生產安全意義重大。文章采用理論方法較成熟的直流電法超前探測技術[6-7]，運用消除了地層層狀空間影響和各向異性影響的資料處理方法，在生產礦井中對煤礦掘進迎頭前方已知空巷道進行了試驗探測，準確的探測出了空巷道的位置。

1 直流電法超前探測

在地下均勻空間內，如圖1 所示，采用三個供電電極A1、A2和A3、一個無窮遠電極B、兩個接收電極M 和N 的六電極系裝置，在掘進巷道的迎頭附近等間距布置施工[8]。供電電極依次向地下供入人工加載的直流電，建立地下以供電電極為球心的點電源球狀電場，電流線以供電電極為球心往外延伸，形成的等電位面也均是以供電電極為球心的球殼面，該球殼面的特點是在同一個球面上的任意一點的電位相同，在巷道后方以固定間距的方式布置接收電極，單接收電極測量的電位為：

圖1 直流電法超前探測工作布置及原理圖

2 資料處理關鍵技術

如上圖1 中所示，由三個供電電極分別供電，測量電極MN依次向后移動測量獲得3 條電位曲線，由視電阻率計算公式可計算對應視電阻率值，從而獲得對應視電阻率曲線。根據地層電性分布規律及層狀空間的電性特征，進行誤差分析，并采用擬合的方法，擬合獲得一條新視電阻率曲線，做為模析曲線 ρsm，再將實測曲線與模析曲線進行歸一化，可得到歸一化解釋曲線，曲線上對應點的用于解釋地質信息的視電阻率值表示為Exp(x,i)，即

式中，下角s、m 分別代表實測和模析，i=1、2、3 表示三條曲線；x=1、2、3、…、n 表示測點。如此處理，即可達到消除地層層狀空間的影響以及各向異性的影響。統計用于解釋地質信息的視電阻率數據的平均值和標準偏差，結合實際地電特征、測井或已知地質構造體的電性規律，確定探測中的異常閥值M。當無異常體存在時，異常閥值與用于解釋的視電阻率值相同，即Exp(x,i)=M；若有異常，則Exp(x, i)≠M，此時將Exp(x, i) ＞M的值或區域定為高阻異常值或區域。

3 試驗探測

3.1 探測區域概述

直流電法超前探測空巷道的試驗工作，選擇在王家嶺煤礦已在掘進的回風大巷迎頭實施，與該巷道相距約30m 的平行巷道為運輸大巷，運輸大巷掘進較快，前方P11 導線點處的聯絡行已掘通，且在回風大巷內掘進寬度為8m，距離回風大巷掘進迎頭約22m，內無雜物，更無積水，屬典型的空巷道，巷道寬度約4m、高度約4m（如圖2 所示）。

圖2 試驗探測區示意圖

3.2 地球物理特征

探測施工場所的目標煤層位于二疊系山西組煤層，此處煤層結構簡單，厚度約4m，厚度變化不大，屬層狀穩定賦存的可采煤層，電性值較高，屬高阻煤層；煤層頂析和底析巖性均為泥巖偶見粉砂巖或泥質砂巖，與煤層相比其為相對低阻層。據此可知，煤層附近地層電性主要為上下相對低阻層中加一穩定的高阻煤層，煤層內的空巷道為一近絕緣的極高阻體，故此空巷道與圍巖直接存在明顯的電性差異，利于直流電法超前探測。

3.3 超前探測結果

在中央回風大巷掘進迎頭后方施工，第一個供電電極距離迎頭14m，接收電極以固定的極距在遠離迎頭的一側逐步跑極進行電位差數據采集。施工過程中共布置供電電極3 個，采電位差數據3 組。經采用前述資料處理方法，獲得經歸一化后的各點的解釋視電阻率值Exp(x, i) (i=1、2、3)，并形成處理后的視電阻率曲線。采用擬合歸一的方法對3 條解釋曲線進行處理，并結合地層電性可獲得一條可用于推斷解釋的最終曲線，這里亦用Exp表示（如圖3（a）所示）。

對處理后的視電阻率曲線中對應的數據進行均值和標準偏差統計，可得均值為9.99，標準偏差為8.99。根據前述地球物理特征的分析，已知目標體（空巷道）的實際位置及其極高阻的電性特征，確定異常閾值M為1（均值減去標準偏差）。由圖3（a）中曲線所示，在橫坐標21～31m 范圍內的Exp＞1，解釋為高阻異常，其他位置的Exp均小于1。繪制沿巷道迎頭向前的斷面圖如圖3（b）所示，圖中不規則線條為視電阻率等值線，有深顏色填充的區域為高阻異常區。由圖3（b）可見高阻異常反應明顯，橫向上與迎頭的距離位于21～31m 之間，與圖2 中迎頭與空巷道的位置22～30m 的范圍吻合較好，驗證了直流電法超前探測高阻異常體的有效性。

圖3 直流電法超前探測結果

4 結語

煤礦井下用于超前探測的物探方法比較多，也多具有針對性，采用常用于探測低阻地質體（含水）的直流電法超前探測技術探測高阻體，并在處理和解釋方法上做一改進，實現了對高阻體的準確定位探測。該實驗探測的成功，對于其它受老窯巷道威脅的煤礦具有借鑒和指導意義，也可將該探測方法作為煤礦采空區、老空巷道等隱伏危險地質體的常規探測方法長期使用。