煤礦防治水中直流電測深法的應用

郭曉明

(山西煤炭運銷集團四通煤業有限公司，山西 臨汾 041000)

隨著煤炭資源開采力度的持續增加，開采效率也在持續提高，礦井水害事故的發生幾率不斷提高，逐漸成為煤礦主要的開采事故。由于水害事故，導致國家每年都會有大量的財產損失。礦井防治水作為煤礦生產和科研技術難點，備受大量學者、研究人員與礦井工作施工人員的重視，而逐漸成為礦井災害治理的重點內容[1]。本文將直流電測深法應用到煤礦防治水中，具有較高的穩定性和較強的可靠性。

1 直流電測深法的原理

直流電法為電法勘探的電阻率法，其是基于巖石電性差異，因不同巖性物質具有不同的電阻率，以此有效推斷測線斷面巖層富水性。直流電法能夠利用程控式多路電極轉換器，對不同電極組合方式與極距間隔進行選擇，利用供電電極對地下供直流電流，并且在對電極間觀測電勢差進行計算時，計算視電阻率，各個電極不同時或者同時根據選定的測線，根據規定電距間隔移動，預先設置電極，自動切換儀器，快速收集野外數據，圖1為微機控制多電極采集數據。

地面直流電法主要是利用數據收集與處理實現，數據采集部分都是在野外完成，地面直流電法的工作就是數據處理，此部分工作較為復雜，在視電阻率圖分析過程中要根據地質工作和對于礦山水文地質情況全面的掌握而進行[2]。

2 工程實例

2.1 工程背景

某煤礦31254工作面采煤層為13號煤層，設置奧灰含水層的間距為78 m，設置下距離徐灰含水層的間距為35 m，徐灰水、奧灰水對采煤工作造成了威脅，為了有效保證工作面的安全性，實現煤層的順利開采，對工作面底板地層富水性進行采前探測。最大的探測深度為底板下200 m，創建底板地層電阻率三維數據體，利用切片技術對奧灰地層與徐灰底層的富水區域進行圈定，便于鉆探施工，對開采方向精準性確定[3]。

圖1 微機控制多電極采集數據

此采面煤層為3.66 m，煤層傾角為24°～28°。工作面頂煤5-煤8為弱含水層，不會影響到采面，但是上方煤5頂板為強含水層，假如根據采面在老沖積層煤柱線下部分采全面高進行計算，裂隙帶高度會比煤5-煤8層間距要大，和下采面突水情況結合進行分析，雖然此區域煤5頂強含水層有效的疏降，但是因為此區域含水層含水和流動并不一致，對含水層水順層下泄造成了影響，導致煤5含水層具備局部富含水層。此面和沖積層的距離比較近，沖積層的水會滲透補給到煤5頂強含水層中，并且速度比較快且充足。以風道、運道的實測資料，風、運道一共揭露了7條正斷層，以f138斷層在風、運道掘進過程中都揭露。除了斷層導致斷層帶附近巷道煤層松軟，圍巖破碎之外，風道在往北360 m～380 m范圍連續揭露4條落差為0.2 m～0.65 m的斷層會影響到巷道施工。所以，此采面回采過程中，受到以上水文地質條件影響，會導致采面涌水的情況出現。

2.2 數據收集

由于企業地測科要求具有較大的探測深度，而且每個深度都能夠構成細致、寬廣的剖面，充分考慮礦區工作面地質巖石層狀的穩定性，要求具有適當的溫度，利用二級裝置。其探測幅度和三級裝置對比更深更廣，并且在分析空間異常體方面更加精準。此實驗礦井利用AM點陣進行排列，以平面實現A與M兩個基準點電纜移動的設置，包括供電、測量的電極。另外，其中還具有A與M的跑動測量點，N與B電極設置在無窮遠處，無窮遠N電極在探測裝置31～60電機一側中放置，無窮遠B電極在探測裝置1～30電機中設置。

起始點為多功能數字直流激電儀與多路電極轉換器，通過電源能夠在地下實現電流的輸入，10 m間隔電極貼近于測量面墻壁，能夠切換位置，從而切換地底的反饋信息，對數據點正常進行保證，人為地錯開通電區和積水區，在1∶100 0比例尺地質圖中實現切眼順槽的標記，方便在處理后期數據中的方向轉移，轉接首位，實現立體三維直觀模型的創建[4]。

2.3 確定突水系數

根據精查地質報告與實際揭露的資料，唐口井田3煤層頂板以上具備多層黏土隔水層，能夠阻隔上覆含水層對于3煤層頂板砂巖的含水層補給，砂巖水的補給條件不良。在巷道掘進過程中，揭露頂板含水層初始水量在每小時5 m3以下，并且在生產各出水點水量不斷降低。目前已經施工31個探頂板砂巖水鉆孔，充分疏放頂板砂巖水，嚴重影響了礦井生產。井田在精查勘探過程中的三灰含水層水位在+28 m左右，并且一共有62個施工底板三灰孔，各個生產采區三灰的最大壓力為9.5 MPa。以《煤礦防治水的規定》，突水系數T設置為0.133 MPa/m。以當地煤田周邊礦區的實際資料和《煤礦防治水規定》需求，底板受到構造破壞塊段突水系數在0.06 MPa/m，正常塊段在0.1 MPa/m以下，也就是T<0.06 MPa/m是安全的。0.06 MPa/m～0.1 MPa/m就要使用探放水措施；T>0.1 MPa/m時要根據專門防治水工程設計的方式，并且上報給主管部門進行審批。在工作面回采之前要使用電法探測，并且實現探放水，評價工作面水害的安全性，采區要構成防水、排水系統，要不然不能生產[5]。

2.4 工作面導水斷層含水性

針對礦井東部邊界和其他工作面發育導水斷層，通過三維地震勘探資料分析對導水斷層發育范圍預計，和直流電法三級超前探測技術結合，對含水性與含水層富水性進行探測，提前使用防治措施，并且以導水斷層含水與導水的情況，使用相應的措施實現綜合治理，避免含水層中的水利用斷層在工作面中導入，導致出現水害。圖2為工作面三級超前探測視電阻率的剖面圖。

圖2 三級超前探測視電阻率的剖面圖

2.5 數據處理

在井下測量過程中，礦井工作人員施工過程中會受到通電設備的干擾，如鉆探機、傳送帶啟動等，對地下提供電源，電極在對反饋信號接收之后會改變某個數據點，電壓電流值轉變成為負數，在對數據導出與處理時，要剔除異常點，對結果精準合理性進行保證。

在完成礦井探測工作后，導出測得的數據，在實現數據反演前創建立體空間模型，便于將變異點剔除，使反演精準度得到提高。通過實測方向有效確定X、Y延展方向，利用實測距離確定立體模型的長寬，以此推測地下深度，實現整體三維模型的創建。基準點為四方電極能夠接受的反饋信息，豎直往下，平行的排列，理論推測平行四邊形，但是在建模過程中人為改變成為矩形柱體，實現縱橫分層，以實際測量長度實現每層的增加，在向下延伸時實現8個相同規格棱柱體模型的細分[6]。圖3為淺層細分三維模型。

圖3 淺層細分三維模型

直流電測深法利用圓滑約束最小二乘法實現數據反演，參數為圓滑濾波系數f，將高斯-牛頓法反演程序作為基礎，將創建礦井劃分成為三維模型，調節模型柱狀體的電阻率，循環迭代中的數據，每次迭代后對偏導數雅可比矩陣進行重新的計算，雖然時間比較長，但是測量精準。本文創建560 m×150 m×200 m(長×寬×高)的立體三維網格體，方便實現分布可視化的礦井工作面底板地層電阻率[7]。

2.6 數據的分析

在Slicer Dicer三維可視化系統軟件中導入本文的反演數據資料，以此得出空間數據體，利用切片技術處理圖(見圖4)，標記低阻異常的區域，結合地質資料預測工作面的底板巖層富水位置，方便觀察，利用電阻率分析lgρ。將切眼和上順槽交匯處作為原點，根據上順槽對外作為Y、根據切眼向下作為正方向X，高度垂直于底層，實現底層數據體模型的創建。基于數據體水平切片，底層下40 m徐灰層在低阻區域比較明顯。通過數據體進行切片，底板下108 m，奧灰頂界面下30 m深度低阻區域在不斷縮小，對立體數據體結合，能夠劃分成為兩個區域：

第1區域：橫向起始測點在220 m處，底板向下深度113 m處，增加電阻，說明此為含水區域；

第2區域：橫向221處到切眼距離，地板面到地下深度118 m處，電阻率從低到高，表示為含水區域[8]。

圖4 煤礦工作面底板地層電阻率三維數據體

3 結語

通過本文研究得到以下結論：

1) 直流電法具有較高的超前探測可靠性，針對隱伏導水構造與富水帶位置、地下水具有較高的預測精準度；

2) 直流電法能夠將節理、巖溶的裂隙發育礦井直觀地展現出來，使用注漿堵水或者疏干排水后檢驗效果；

3) 針對開采年代比較久的礦井，利用直流電法能夠對老硐位置進行圈定；

4) 地面直流電法對于煤礦防治水具有主要的指導意義，針對缺水地區也能夠幫助找水；

5) 地層個別地段具有塌陷與裂縫地方，會干擾到地面直流電法，此方面需要進一步的改進。