音頻電透視技術(shù)在頂板富水性探測中的應(yīng)用

高靖學(xué)，高 杬，閔 鵬

(黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限公司雙龍煤礦，陜西 延安 716000)

0 引言

礦井水害是影響我國煤炭資源安全高效開采的重要因素之一[1]。隨著我國煤炭資源的開采效率提高，繼而對(duì)地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)工作提出了更高的要求。目前，煤層頂板富水性探測的主要物探方法有礦井瞬變電磁法[2-3]、礦井直流電法[4]、礦井三維高密度電法[5]和音頻電透視法[6]等。前3種方法對(duì)于頂板的探測，只能得到巷道上方垂向上的電性剖面，對(duì)于寬度較小工作面探測效果較好，對(duì)于寬度較大工作面的探測能力尚顯不足。音頻電透視法采用單巷發(fā)射，在對(duì)側(cè)巷道進(jìn)行扇形接收，探測結(jié)果能夠很好地反映工作面頂板一定高度范圍內(nèi)的平面電性變化情況。

2號(hào)煤層是黃陵礦區(qū)的主采煤層之一，其開采易受到煤層上部含水層的影響[7]，進(jìn)而影響煤礦生產(chǎn)安全。雙龍煤礦2號(hào)煤層上部含水層在煤層開采后，采煤裂隙帶發(fā)育至上部含水層，從而引起礦井涌水量增加，影響煤層安全回采。對(duì)此，采用礦井音頻電透視技術(shù)對(duì)該工作面的頂板富水性進(jìn)行研究，以期指導(dǎo)探放水工作，解除頂板水對(duì)煤礦安全開采的威脅。

1 礦井音頻電透視技術(shù)探測原理

礦井音頻電透視技術(shù)，是利用接地電極向巷道空間發(fā)射低頻電流(小于120 Hz)，通過接收電極觀測人工場源的空間分布規(guī)律，從而探測工作面頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)介質(zhì)電阻率的一種方法[8-9]。從大的范疇來說，礦井音頻電透視法仍屬于礦井直流電法，因其施工方法、資料處理技術(shù)的差異及主要探測采煤工作面內(nèi)部構(gòu)造等原因而形成礦井音頻電透視法分支。

1.1 礦井全空間點(diǎn)源場的分布特征

礦井音頻電透視法以全空間電場理論為基礎(chǔ)。均勻全空間中點(diǎn)電源產(chǎn)生的電場分布特征，可用如下關(guān)系式表達(dá)。

(1)

(2)

(3)

式中，Um為電位，mV；I為供電電流強(qiáng)度，mA；Em為電場強(qiáng)度，N/C；Jm為電流密度，A/m2；ρ為均勻空間介質(zhì)電阻率，Ω·m；R為觀測點(diǎn)M到點(diǎn)電源A的距離，m。

煤層與其頂、底板具有明顯的電性差異。而煤層相對(duì)其頂、底板為高阻層，可用圖1的3層地電模型來模擬上述電性組合特征。

圖1 井下3層地電模型示意Fig.1 Schematic diagram of underground three-layer geoelectric model

根據(jù)鏡像法，可以求出全空間內(nèi)任意點(diǎn)的電位表達(dá)式為

(4)

式中，Ui,j為第i層的點(diǎn)源在第j層的電位，mV；ρi為第i層的電阻率值，Ω·m；kn(i,j)=F(L,d,θ,ρm)為反射系數(shù)函數(shù)；L為供電點(diǎn)至觀測點(diǎn)的距離，m。

1.2 含水地質(zhì)體對(duì)點(diǎn)源場的電位影響

含水地質(zhì)體對(duì)點(diǎn)電源電場的影響，可以近似用負(fù)電偶極子表示

(5)

則低阻良導(dǎo)體產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電位，如圖2(a)所示。對(duì)于井下近似3層地電模型來說，其點(diǎn)源場電位表達(dá)式為

U=U0+Un

(6)

式中，U0為無局部地質(zhì)體時(shí)的電位分布，mV；Un為局部地質(zhì)體的異常場，mV。

根據(jù)式(5)、(6)可以看出，異常曲線(U/U0)是以點(diǎn)源A與地質(zhì)體連線或其延線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱曲線，如圖2(b)所示。異常幅度、寬度與異常體的大小、異常體與圍巖的電性差異及距收發(fā)面的距離等有關(guān)。異常體規(guī)模(體積與含水強(qiáng)弱的綜合反映)越大、與圍巖的電性差異越大、距收、發(fā)面距離越小，異常幅度就越大；反之則越小。圖2(c)為底板下存在含水體與不含局部水體等2種條件下電位測量曲線的比較示意圖。

圖2 含水構(gòu)造的模擬及電位異常反映特征示意Fig.2 Simulation of water bearing structure and characteristics of abnormal potential

1.3 施工方法

礦井直流電透視法在實(shí)際施工時(shí)，常采用透視信號(hào)強(qiáng)、異常反應(yīng)靈敏、施工效率高的軸向單極-偶極裝置形式，如圖3所示。這種裝置形式將發(fā)射電極A和測量電極MN分別布置在煤礦工作面兩側(cè)巷道，即在一側(cè)巷道供電(A極)，B(∞)極布置在無窮遠(yuǎn)處，在另一側(cè)巷道相對(duì)應(yīng)的扇形范圍內(nèi)進(jìn)行接收(MN極)。測量時(shí)，沿巷道依次移動(dòng)供電電極A，保證相鄰供電電極的接收扇形有足夠的重疊，完成單側(cè)巷道的測量；再將發(fā)射和接收巷道互換，逐點(diǎn)依次對(duì)工作面進(jìn)行探測，進(jìn)一步增加觀測覆蓋次數(shù)，完成雙巷測量。

Ai-供電點(diǎn)；Mk-接收點(diǎn)圖3 工作面音頻電透視工作方法示意Fig.3 Working methods of audio frequency electric perspective in working face

2 資料處理與解釋方法

2.1 資料處理

主要采用人工交匯法和CT層析成像法來對(duì)礦井音頻電透視采集數(shù)據(jù)進(jìn)行資料處理和解釋。人工交匯法就是根據(jù)集流效應(yīng)使得點(diǎn)源場中低阻良導(dǎo)電地質(zhì)體方向上的電位下降梯度增大(高阻地質(zhì)體的情況，則剛好相反)，由異常曲線的拐點(diǎn)來劃分異常區(qū)間，并交匯出異常范圍的方法。層析成像法就是利用穿過采煤工作面內(nèi)的沿許多電力線(由供電點(diǎn)到測量點(diǎn))的電位降數(shù)據(jù)來重建采面電性變化圖像的方法。

設(shè)X為供電點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的連線，ΔU為電位降，可以證明

(7)

式中，σ(x，y)為(x,y)位置的電性參數(shù)；C表示調(diào)節(jié)系數(shù)。

將整個(gè)研究范圍剖分為J=M×N個(gè)單元，對(duì)研究空間進(jìn)行離散，如圖4所示。

圖4 單元剖分Fig.4 Element division

假定第j條射線穿過I個(gè)單元，則第j條射線上的電位降表達(dá)式為

(8)

式中，rj,i分別為第j條射線位于第I單元內(nèi)的長度(各單元序號(hào)是(x，y)的位置函數(shù))；δj,i為第I個(gè)單元內(nèi)的電性參數(shù)。

將所有各射線建立方程，則有

ΔU=x·δ

(9)

則所有問題轉(zhuǎn)化為根據(jù)數(shù)據(jù)ΔU來計(jì)算δ的值。這是一個(gè)超定方程組，很難求其精確解，故采用多次迭代的近似值法來求其近似解。

2.2 解釋原則

層析成像圖件是以顏色分級(jí)的，原則上分多級(jí)，以便更細(xì)致地劃分電性的遞變規(guī)律。但實(shí)際解釋中，應(yīng)結(jié)合有關(guān)已知地質(zhì)資料來劃分級(jí)別，使物探資料更切合實(shí)際地質(zhì)規(guī)律。異常性質(zhì)則根據(jù)異常形態(tài)結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析、推斷。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

雙龍煤礦位于黃陵礦區(qū)中南部，煤礦主要地層為三疊統(tǒng)永坪組(T3y)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、下白堊統(tǒng)洛河組(K1l)和第四系(Q)。含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)，2號(hào)煤層為全區(qū)唯一可采煤層，位于侏羅系延安組第1段中上部。影響2號(hào)煤層開采的主要含水層為直羅組下段砂巖含水層和延安組中部砂巖含水層，其中直羅組下段砂巖含水層富水性較強(qiáng)，延安組中部砂巖含水層富水性較弱。108工作面長度1 145 m，切眼長度235.5 m，煤層埋深268～174 m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均傾角3°,煤厚平均為1.85 m。工作面直接頂為灰黑色粉砂巖、黑色泥巖，基本頂為灰白色細(xì)粒砂巖；直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖、灰黑色粉砂巖。2號(hào)煤層距直羅組下段砂巖含水層75～92 m，距延安組中部砂巖含水層8～30 m。根據(jù)鄰近工作面2號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶探測結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，108工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為26.7～86.6 m，平均為52.9 m。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度小于2號(hào)煤層至直羅組下段砂巖含水層的距離，因此影響108工作面回采的主要含水層為延安組中部砂巖含水層。雖延安組中部砂巖含水層整體富水性較弱，當(dāng)局部富水性較強(qiáng)時(shí)，仍會(huì)威脅工作面的正常回采。因此本次采用音頻電透視手段來探查工作面上部延安組中部砂巖含水層相對(duì)富水區(qū)域，為礦井防治水工作提供依據(jù)，以降低礦井突水風(fēng)險(xiǎn)，確保工作面安全回采。

3.2 施工布設(shè)

礦井音頻電透視施工時(shí)，每50 m一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，每10 m一個(gè)接收點(diǎn)，兩順槽各布置24個(gè)發(fā)射點(diǎn)，116個(gè)接收點(diǎn)。針對(duì)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在另一巷道與之對(duì)稱點(diǎn)附近一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)6或11個(gè)接收點(diǎn)，并進(jìn)行了128 Hz和26 Hz這2個(gè)頻率的數(shù)據(jù)采集，2個(gè)頻率分別對(duì)應(yīng)0～50 m和50～100 m這2個(gè)高度范圍。

3.3 探測結(jié)果及分析

3.3.1 探測結(jié)果

圖5和圖6分別為108工作面頂板0～50 m范圍和0～100 m范圍的探測結(jié)果，橫坐標(biāo)為順槽長度(以切眼與兩順槽交匯口位置為起算點(diǎn))，縱坐標(biāo)為切眼長度(以回風(fēng)順槽與切眼交匯點(diǎn)為起算點(diǎn))，單位都為m。圖中不同顏色表示電導(dǎo)率的高低，從藍(lán)色、綠色、黃色、紅色電導(dǎo)率依次減小。圖5中，頂板0～50 m范圍內(nèi)電導(dǎo)率在9.4～14.0 S/m，平均值為11.0 S/m，標(biāo)準(zhǔn)差為4.8 S/m。圖6中，頂板50～100 m范圍內(nèi)電導(dǎo)率在14.0～17.8 S/m，平均值為15.6 S/m，標(biāo)準(zhǔn)差為3.04 S/m。從2個(gè)不同高度層段巖層電導(dǎo)率平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)比較可看出，0～50 m層段電導(dǎo)率小于50～100 m層段電導(dǎo)率，這與延安組中部砂巖含水層富水性弱、直羅組下段砂巖含水層富水性強(qiáng)的認(rèn)識(shí)相吻合。

圖5 108工作面頂板上0～50 m層段巖層視電導(dǎo)率Fig.5 Apparent conductivity of 0～50 m strata above roof of No.108 working face

圖6 108工作面頂板上50～100 m層段巖層視電導(dǎo)率Fig.6 Apparent conductivity of 50～100 m strata above roof of No.108 working face

3.3.2 結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)

YC1號(hào)異常區(qū)為直羅組底部位及延安組中部異常。直羅組底部異常位于切眼與運(yùn)輸順槽交匯口向停采線方向60～150 m，切眼與回風(fēng)順槽交匯口向停采線方向210～510 m附近頂板上85～100 m范圍，異常區(qū)貫穿兩順槽；延安組中部異常位于切眼與運(yùn)輸順槽交匯口向停采線方向60～150 m、310～420 m，切眼與回風(fēng)順槽交匯口向停采線方向210～260 m附近頂板上10～50 m范圍。推斷該異常區(qū)為2煤頂板上方直羅組底部砂巖層富水性增強(qiáng)所致，下伏延安組巖層局部與直羅組砂巖沿裂隙導(dǎo)通使富水性增強(qiáng)。

YC2號(hào)異常區(qū)為直羅組底部異常，位于切眼與運(yùn)輸順槽交匯口向停采線方向250～460 m附近頂板上90～100 m范圍，緊靠運(yùn)輸順槽，異常區(qū)沿工作面走向分布。推斷該異常區(qū)主要為2煤頂板上方直羅組底部砂巖層富水性增強(qiáng)所致。

YC3號(hào)異常區(qū)為直羅組底部異常，位于切眼與運(yùn)輸順槽交匯口向停采線方向640～740 m，切眼與回風(fēng)順槽交匯口向停采線方向660～720 m附近頂板上80～100 m范圍。推斷該異常區(qū)主要為2煤頂板上方直羅組底部砂巖層富水性增強(qiáng)所致。

YC4號(hào)異常區(qū)為直羅組底部位及延安組中部異常，靠近回風(fēng)順槽；直羅組底部異常位于切眼與運(yùn)輸順槽交匯口向停采線方向1 050～1 150 m，切眼與回風(fēng)順槽交匯口向停采線方向1 100～1 150 m附近頂板上75～100 m范圍，延安組中部異常位于切眼與運(yùn)輸順槽交匯口向停采線方向1 100～1 150 m附近頂板上10～50 m范圍。推斷該異常區(qū)為2煤頂板上方直羅組底部砂巖層富水性增強(qiáng)所致，下伏延安組巖層與直羅組砂巖沿裂隙導(dǎo)通使富水性增強(qiáng)。

后期，針對(duì)音頻電透視圈定的4處異常區(qū)進(jìn)行了探放水工作，YC1異常區(qū)鉆進(jìn)至直羅組砂巖含水層出水，最大涌水量18.53 m3/h；YC3異常區(qū)YC1異常區(qū)鉆進(jìn)至直羅組砂巖含水層出水，最大涌水量4.59 m3/h；YC4異常基本無水。探放水結(jié)果表明本次音頻電透視法對(duì)于工作面頂板含水層相對(duì)富水性探測效果良好。

4 結(jié)論

(1)采用音頻電透視技術(shù)對(duì)該礦108工作面頂板富水性進(jìn)行了探測，結(jié)合地質(zhì)與水文資料，共圈定了4處低阻異常區(qū)域，經(jīng)后期探放水驗(yàn)證，2處異常出水，探測效果明顯。

(2)音頻電透資料和后期探放水資料表明該工作頂板延安組中部砂巖含水層富水性弱，直羅組底部砂巖含水層富水性較強(qiáng)，且兩含水層間連通性差。

(3)采用音頻電透視技術(shù)和鉆探探放水相結(jié)合的方式，對(duì)頂板富水區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確圈定及有效疏放，極大地減小了礦井突水風(fēng)險(xiǎn)，保證了煤礦正常安全回采。