頂板音頻電透視三維可視化應用

王云龍

（烏審旗蒙大礦業有限責任公司地測部，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 研究頂板富水性的意義

1.1 礦區頂板富水性現狀

納林河礦區處于鄂爾多斯煤田中部。礦區南部為榆橫礦區，北部為呼吉爾特礦區，周邊均為新近開發的產煤區。納林河二號礦井主要水害威脅為頂板水。3-1 煤層頂板含水層以河流相沉積為主，含水層厚度大、水壓力高、富水性不均一、局部區域富水性極強。含水層水以靜儲量為主，但局部區域動態補給量較大。

1.2 頂板富水性物探現狀

3-1 煤頂板巖層富水性的復雜性和不均一性使工作面頂板水疏放難度大、回采過程中防治水工作難度極大。目前，中煤科工集團西安研究院有限公司使用的音頻電透視技術能對頂板富水區分布平面位置進行探測，效果較好，但對富水區分布范圍定位精度較低，富水區分布位置、規律與物探異常區存在一定的出入，導致疏放水鉆孔有效布置和疏放存在困難。因此，需要應用一種快速、有效的方法對工作面頂板巖層富水區的垂向、橫向分布范圍進行精確探測、圈定，從而實現對工作面頂板富水區的精確定位，高效指導疏放水工作。

2 頂板物探的意義與研究現狀

2.1 頂板物探的作用

根據《煤礦防治水細則》第四十一條規定：工作面回采前，應當查清采煤工作面及周邊老空水、含水層富水性和斷層、陷落柱含（導）水性等情況。

頂板物探是按照規定查清含水層富水性的最有效手段。回采工作面頂板物探也是指導頂板疏放水鉆孔設計的依據，為頂板疏放水提供頂板富水區域、層位高度及富水程度等資料。目前，對物探和疏放水成果展示通常為二維斷/平面圖，成果圖與工作面空間位置關系不直觀，物探和疏放水成果分布形態不直觀，易導致地測人員對成果資料的誤解。因此，需要對工作面底板、物探和疏放水成果等要素進行三維建模，實現探放水成果的三維可視化。

2.2 頂板物探研究的發展狀況

目前用于井下工作面頂板富水性探測的物探方法較多，有礦井瞬變電磁法、礦井直流電法、音頻電穿透法等。礦井瞬變電磁法和礦井直流電法在陜北、內蒙地區大采寬（工作面寬大于300m）工作面頂板探測時，僅可以探測工作面順槽頂板附近的富水性，無法實現對工作面頂板的覆蓋探測。音頻電穿透可以實現對工作面頂板的覆蓋式探測，但目前的二維反演解釋無法反應工作面頂板縱向上的富水性變化。魯晶津等研究的井下電阻率三維反演成像[1]能在橫向和縱向反應探測結果，但在實際應用中，其反演得到的低阻異常位于工作面頂板淺部（一般位于工作面頂板上60m 以內），與實際鉆孔揭露的巖層分布規律常常不符。

音頻電透視屬于礦井電阻率法，近年來在礦井防治水工作中取得了重要進展，在礦井突水災害的預測預報方面發揮了重要的作用。

1997 年，韓德品、石亞丁等對井下單極—偶極直流電透視原理及解釋方法[2]進行了研究，為正確區分工作面頂、底板圍巖和煤層內的地質異常提供了理論依據。1999年，中國礦業大學岳建華、劉樹才等對井下直流電法的全空間場和巷道影響[3]進行了理論研究。2000—2001 年，韓德品、石亞丁、劉青雯等對礦井音頻電穿透技術一維和二維數值模擬研究，全面地研究了工作面兩巷道間電穿透建場方法理論和電場的分布規律[4]。2016 年，魯晶津對典型斷層構造的礦井電透視電性異常特征進行了三維數值模擬分析，并開展了礦井音頻電透視井下三維電阻率反演成像技術研究[5]。2019 年，王程、魯晶津將礦井音頻電透視三維電阻率反演成像技術應用到了含/導水陷落柱探測中[6]，結果表明礦井音頻電透視三維反演可準確識別含/導水陷落柱空間位置、展布范圍等。

綜上所述，由于礦井直流測深法、礦井瞬變電磁法等的局限性，導致其無法適用于蒙陜地區大采寬（工作面寬大于260m）工作面頂板富水區的探測，音頻電透視適用于大采寬工作面頂板富水區探測，但目前的探測效果難以達到防治水高效、精確度高、可靠性高的要求，其施工、反演解釋精度有待進一步改善和提高。

3 工作開展情況

3.1 前期工作

2007 年11 月，陜西省煤田地質局物探測量隊在納林河二號礦井首采區進行了地面瞬變電磁法勘探，共布設測線34 條，測線長87.76 km，物理點1 190 個。根據地面瞬變電磁法勘探資料，結合鉆孔資料和前期水文研究成果，研究瞬變電磁法沉積約束反演技術，對納林河二號井3-1煤頂板富水區宏觀分布進行了分析判斷。

利用納林河二號井地面鉆孔資料，研究3-1 煤頂板至地表各含水層、隔水層的分布規律。

本次研究的納林河二號礦井31121 工作面為首采區北翼第1 個工作面，位于首采區北翼西部。工作面長2 628 m，寬300 m。根據北京天地科技股份有限公司提交的《31101工作面覆巖破壞觀測成果總結報告》，開采3-1 煤時的裂采比為22.06，該工作面平均采高5.64 m，則導水裂隙發育高度約為124.4 m。因此，確定該工作面頂板疏放水范圍為3-1 煤頂板以上125 m。

根據前期搜集的地質資料，31121工作面頂板以上125m內的主要含水層為侏羅系中統安定組和直羅組地層，厚度234.90 m～275.49 m，平均256.62 m。巖性上部安定組（J2a）為中、粗粒砂巖、砂質泥巖夾粉砂巖及細粒砂巖；下部直羅組（J2z）為中粗粒砂巖，雜色粉砂巖及砂質泥巖。根據首采區補充勘探，單位涌水量0.0273 L/s·m～0.1205 L/s·m（統降單位涌水量0.0187 L/s·m～0.07089 L/s·m），滲透系數0.01001 m/d～0.02845m/d，富水性弱。水化學類型為SO4-Na型水，礦化度6 122 mg/L～8 637mg/L。

3.2 音頻電透視原理

由于地下各種巖（礦）石之間存在導電差異，影響著人工電場的分布形態。礦井音頻電穿透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，是在2 個巷道內同時作業，相對固定供電（發射）電極A1、A2，移動測量電極M、N，對工作面進行以發射點為中心的扇形掃描，達到探測工作面平面的目的。

3.3 頂板音頻電透視物探工作開展

2017 年11 月，項目團隊人員在納林河二號礦井31121工作面針對工作面頂板含水層富水區情況進行精細探測，本次音頻電透視探測工作使用的儀器為中煤科工集團西安研究院研制并生產的YT120（A）（原DTS-IA）型防爆音頻電透視儀，是一種應用于礦井條件下水文地質條件探查的專用儀器。本次音頻電透視每50 m 一個發射點，每10 m 一個接收點，兩順槽各布置54 個發射點，264 個接收點，針對每個發射點，在另一巷道與之對稱點附近一定區段進行扇形掃描接收，每個發射點對應7～21 個接收點，探測工作面長度為2 630 m，探測0 m～80 m 和80 m～120m 2 個層段。

本次工作面瞬變電磁和音頻電透視井下數據采集工作于2017 年11 月7 日—2017 年11 月10 日和2017 年12月5 日—2017 年12 月31 日完成。

根據相關要求，音頻電穿透檢查點布置在異常區段，在2 條順槽各布置了40 個檢查點，質量檢測工作量占瞬變電磁總工作量的6.06%，符合規范5%的要求。

采用人工交匯法與CT 成像法2 種方法對資料進行處理，形成相對應的音頻電穿透兩層段異常平面圖。

3.4 資料分析與三維可視化

將鉆孔資料、水文資料、地面瞬變電磁法探測成果和音頻電透視法探測成果進行結合，對井下工作面、煤層頂/底板、頂板含水層、富水區等要素進行可視化研究與三維建模。

三維建模主要使用三維建模軟件Voxler。Voxler 是美國Golden 軟件公司的產品，用于繪制三維圖形，是科技工作者所需的軟件，在各行業應用比較廣泛。將音頻電透視法探測成果與地面瞬變電磁法探測成果、鉆孔資料、水文資料等輸入Voxler 三維建模軟件后，經三維反演，得到三維可視化的工作面頂板富水異常區立體圖，可直觀顯示富水異常區的橫向和垂向上的情況。

3.5 三維可視化的優點

通過音頻電透視法沉積約束三維反演技術，達到對工作面頂板富水區局部分布的精細探測的目的。三維建模實現了對工作面頂板起伏形態的三維展示，通過三維可視化模型可以直觀顯示工作面頂板中的向斜、背斜及起伏形態。

圖1 為31121 工作面頂板形態三維圖，圖中實現了工作面頂板形態、頂板物探異常區和設計疏放水鉆孔的空間對應關系。

圖1 31121 工作面頂板形態三維圖

4 三維可視化的成果應用情況

4.1 頂板疏放水孔的設計依據

以往使用的頂板音頻電透視二維平面成果展示，只能顯示出頂板含水層頂板富水區的平面位置和范圍，無法顯示富水區高度層位，不利于頂板疏放水孔的設計。

使用三維可視化的成果，可以立體展示頂板含水層富水區的平面位置范圍和垂直高度層位，為頂板疏放水孔設計提供了重要依據。

31121工作面頂板物探發現頂板上0 m～120 m存在5處富水異常區，針對異常區布置了31 個疏放水鉆孔。31 個鉆孔終孔水壓為1.2 MPa～3.3 MPa，平均水壓力為1.77 MPa。如圖2所示，通過鉆孔終孔水壓等值線圖可以看出，整個工作面頂板存在2 處主要的富水區：1 號富水區對應4 號異常區，該區域大多數探放水鉆孔涌水量均在10 m3/h 以上，其中Y4-2鉆孔涌水量達到17.6 m3/h，為該區域涌水量最大的鉆孔。2號富水區對應5 號異常區，該區域大多數探放水鉆孔涌水量均在10 m3/h 以上，其中F1-2 鉆孔涌水量18.5 m3/h 為所有疏放水鉆孔中水量最大值。鉆探揭露的31121 工作面頂板含水層富水性分布趨勢與物探探測結果相吻合。

根據圖2，可以從頂板低阻異常區分析出頂板富水區，并可直接查看可視化頂板富水區的富水高度情況，對設計頂板疏放水鉆孔有直觀的指導意義。

圖2 31121 工作面富水異常區三維圖

4.2 經濟效益

31121 工作面原設計頂板疏放水孔129 個，根據該技術的探測成果對31121 工作面頂板疏放水鉆孔進行優化后，31121 工作面共減少了鉆孔98 個，減少工程量17 052 m，減少工期98 d，納林河二號礦井降低了直接成本400.28 萬元，降幅達72.49%。

2018 年3 月，將該項技術應用于3-1 上102 工作面，共減少了鉆孔198 個，減少進尺34 452 m，減少工期198 d，納林河二號礦井降低了直接成本810.8 萬元，降幅達77.0 %。

目前，項目成果已經在納林河二號礦井各回采工作面探放水工作中得到了廣泛應用。

5 結論

針對3-1 煤頂板含水層富水性不均一、音頻電穿透的二維反演解釋無法反映工作面頂板縱向上的富水性變化情況，研究認為音頻電透視物探成果資料有三維反演成像的可能性和必要性。2017 年12 月，在31121 工作面針對頂板含水層富水區進行了物探，通過對工作面物探數據進行三維反演計算，利用三維建模軟件Voxler 對工作面頂板、物探異常區水壓進行三維建模，得到了頂板含水層富水區的三維模型，用來優化頂板疏放水鉆孔的設計，在含水量較大的富水區增加疏放水鉆孔，從而達到準確疏放含水層水、有效指導頂板含水層治理的目的。

由于蒙陜地區普遍存在頂板水害問題，該技術體系推廣應用前景較大，預計可為煤礦增加20%經濟效益。