音頻電透視法在煤礦工作面頂板水探測中的應用

劉建國

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

防治水一直是煤礦安全生產的一項重要前提工作，隨著技術的發展和煤礦生產的需求，物探方法在煤礦防治水等工作中的應用愈來愈廣泛，已作為煤礦防治水細則中要求的一項必要工作，通過利用各種物探方法手段，探測斷層、陷落柱等構造的賦存情況，探查煤層頂底板富水情況，用以防止和減少水患事故。目前常用于解決煤礦水患問題的井下物探方法有，瞬變電磁法、直流電測深法及音頻電透視等方法。此次采用音頻電透視法對煤礦回采工作面頂板水的探測開展工作。

1 概 況

此次音頻電透視法所探測工作面構造簡單，煤層構造形態為向西的緩傾單斜構造，煤層單一穩定，工作面直接頂為油頁巖。根據以往地質資料可知，工作面煤層上覆巖層為直接充水含水層。工作面開采時，局部區域頂底板及煤壁可能會出現少量淋水滲水現象，水源主要來自頂板裂隙淋水。

2 音頻電透視法簡介

2.1 音頻電透視法原理

各類巖層具有各自不同的電阻率（或電導率），電法勘探就是通過探測井下不同位置巖層的電阻率（或電導率） 的差異來達到探查目標地質體的工作任務。在同一巖層內，電性分布相對均勻，而巖層的富水將對其電阻率（或電導率） 的高低情況起到決定性作用。若是巖層中不無水，則其導電性較差，使局部電阻率值增高（電導率值下降）；當巖層中含水時，因為礦井水的礦化度較高，所以巖層導電性較好，進而使局部電阻率值降低（電導率值升高）。音頻電透視法即是通過專業儀器測量井下不同巖礦石之間導電差異影響的人工電場的分布形態，記錄其分布規律，用以解決相關地質問題。因此可采用音頻電透視法探測煤層頂板巖層視電導率值變化規律，推斷解釋頂板巖層富水分布情況。

2.2 工作布置

音頻電透視法探測測點間距為10 m，發射點間距為50 m，測點從工作面兩巷停采線開始布置至切眼，分別布置在工作面運輸巷及回風巷內幫。工作中在發射點對應巷道中進行扇形采集接收數據。音頻電透視法數據采集測點布置如圖1 所示。

圖1 音頻電透視法數據采集測點布置示意Fig.1 Arrangement of data acquisition and measurement points of audio frequency electrofluoroscopy

3 音頻電透視法數據處理解釋

音頻電透視法數據處理解釋采用層析成像法，采用穿過回采工作面的沿諸多電場線的電位降數據來建立工作面電性變化圖像。

設X 為供電點與測量點之間的連線，U為電位降，可以證明：

式中：δ（x，y） 為電性參數（是x，y 的位置函數）；C為調節系數。其中求取電導率值為視電導率值，它與真實電導率差異較大，是因為在CT 反演中對調節系數C的選取不同，可在數據處理時進行設置，以獲得不同大小的視電導率值，但數據的改變是整體同步變大或變小，不影響對相對富水區的判定。本次計算的視電導率較大，是人為調整而成，其原因是反演的視電導率值一般較小，在成像表達過程中，利用顏色有時難以區分，故為便于清晰識別異常區，通過改變C值，同步放大了視電導率值。

現將整個研究范圍分為J個單元來考慮（J=M×N），如圖2 所示將所研究的問題離散化。假設第j 條射線穿過I個單元，則第j條射線上的電位降表達式為：

圖2 單元剖分Fig.2 Unit subdivision

式中：rj,i分別為第j條射線位于第I單元內的長度，各單元序號是x，y 的位置函數；δj,i為第I 個單元內的電性參數。

將所有各射線建立方程，則有：

則所有問題轉化為根據數據來計算δ 的值。采用多次迭代的近似值法來求其近似解。

此次成果按照以下解釋原則進行：解釋參數為視電導率，不是地質體真實的電導率，在量級上兩者有較大差異，但不影響對良導介質（如含水體）分布范圍的判定。CT 成像圖用顏色劃分，分級越多，越能精細地劃分電性變化規律。在數據資料分析過程中，劃分級別參考了相關地質資料，以便音頻電透視成果資料更加符合實際情況。

4 成果分析

通常情況下，由于地層巖性相對均一，相同頻率建立的人工電場觀測得到的視電導率值越高，表明該區域地層導電性越好，富水可能性也就越強。因此按照頻率域電場理論及實際工作經驗，推斷高頻率視電導率探測結果的有效探測距離為0～50 m巖層段；低頻率視電導率探測結果的有效探測距離為50～100 m 巖層段。

根據此次音頻電透視成果（圖3~圖4） 可知，工作面頂板上0～50 m、50～100 m 范圍內地層的綜合視電導率值一般為1~12（S/m），其中頂板上0～50 m 范圍有2 處明顯視電導率值≥14（S/m）的異常條帶，依據上述視電導率閾值標準，推斷存在YC1 及YC2 兩處電性異常區。工作面頂板上50～100 m 無明顯異常區域（坐標原點為工作面運輸巷與停采線交點處，原點垂直指向切眼方向為x軸正方向，垂直指向工作面回風巷為y 軸正方向，定義坐標（x，y），表示異常區范圍在x、y 軸方向上的位置）。

圖3 工作面頂板上0 ~ 50 m音頻電透異常分布Fig.3 Abnormal distribution of 0~50 m audio electrotransmission on the working face roof

圖4 工作面頂板上50 ~ 100 m音頻電透異常分布Fig.4 Abnormal distribution of 50~100 m audio electrotransmission on the working face roof

推斷分析認為YC1 應為頂板砂巖弱富水所致（回風巷2 450 ~2 500 m 段，回風巷向工作面0~55 m），分析認為YC2 對應的運輸巷位置停放有部分機械設備，因此該異常可能為干擾影響所致（運輸巷3 110~3 190 m段，運輸巷向工作面0~100 m）。

5 結 論

（1） 此次解釋的富水異常區的判定是基于音頻電透視法探測的反映結果，從探測成果中可看出，音頻電透視法對于煤層頂板上視電導率較高區域的特征反映比較明顯，能夠識別出煤層頂板上的富水異常區。

（2） 音頻電透視資料反映的均是地層含水性的靜態特性，在煤層開采時，煤層附近隨著地應力的急劇變化，會使原生裂隙增大或產生新的裂隙，這將會導致裂隙水的賦存狀態、位置也隨之發生變化。

（3） 由于音頻電透視法為間接探測手段，并且由于井下巷道中電纜、金屬管道、皮帶架、機電設備等干擾因素的存在，對解釋成果有一定的影響。