電法在煤礦水害隱蔽致災因素探查中的應用

李學潛

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

近年來，隨著煤炭工業的快速發展，煤礦水害日益突出，礦井水文地質條件日趨復雜，為貫徹落實十六字防治水原則，即“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的要求，電法勘探技術在煤礦水害隱蔽致災因素探查中得到了廣泛應用。武強等指出電法勘探技術在充水水源、導水通道、老空區探查等方面取得了一定成果[1]。梁慶華以山西和尚嘴煤業為例,分析了礦區水害特點,采用井上下物探與鉆探綜合探查手段,查明了隱蔽致災因素[2]。董書寧等從充水水源特征、導水通道的性質探查入手提出了煤層頂、底板水害探查技術及裝備,導水陷落柱探查、治理技術與裝備[3]。程久龍等介紹了近幾年來地球物理方法在地質構造、巖層含水性超前探測等方面的最新進展與展望[4]。李文等從煤炭開采過程中遇到的常見含/水地質異常體種類和特征為切入點,研究了各種礦井地球物理勘探方法優缺點及應用場景,并對一些綜合物探應用案例進行了分析[5]。還有一些學者在高密度電法[6-8]、瞬變電磁法[9-11]、無線電波透視法[12-13]、直流電法[14-16]等方面進行了相關研究，在水害探查方面取得了良好效果。

1 水害隱蔽致災因素特征

煤礦水害隱蔽致災因素是指隱伏在煤層及其圍巖內、在開采過程中可能誘發水害的地質構造和不良地質體,具有隱蔽性、突發性、探測難度大等特點,主要有以下幾類：

1)積水采空區。我國煤炭資源經歷多年開采，淺部資源逐漸枯竭，煤礦逐漸轉向深部開采，上層煤開采后常形成的積水采空區，小煤窯亂挖亂采形成形態復雜的采空區。這些采空區內通常會受到大氣降水及基巖裂隙水等的補給而產生大量積水。老窯積水采空區是造成礦井水害事故頻發的原因之一,空間分布形態、賦存規律復雜，積水來勢兇猛,破壞性大是其最顯著的特點。

2)陷落柱。陷落柱是煤系地層下伏灰巖地層在巖溶侵蝕作用形成的溶洞規模不斷擴大，直至出現垮塌,垮落空腔發育至上覆煤系地層中并被巖石充填形成的柱狀堆積體，其對煤礦安全生產危害極大。尤其是因隱伏陷落柱溝通巖溶水導致的突水具有突水量大、突水前不易發現等特點。

3)斷層。斷層縮短了采掘空間與含水層之間的距離,并通過斷層破碎帶、裂隙帶將承壓水導入采掘空間。斷層兩盤的移動使采掘空間與含水層的相對位置發生改變,導致有效隔水層厚度的減小,甚至會與斷層另一盤的含水層直接對接。斷層突水具有較強的隱蔽性和難確定性,易造成重大災難。

4)封閉不良鉆孔。礦區地質勘查時布置了大量的鉆孔，部分鉆孔因封堵材料量不足等原因形成了封閉不良鉆孔。當鉆孔充水或與地表、井下不明水體、含水層連通時，受采動影響或直接揭露鉆孔可能誘發突水事故。封閉不良鉆孔具有較強的隱蔽性，探測難度較大。

2 電法勘探方法

1)礦井直流超前探測。在井下建立人工點電源場，對于點電源來說，其球殼上的電位具有球對稱性。在地下巷道內工作面供電點的后方就可以探測前方對稱位置的電場情況以預報掘進頭前方含、導水體構造分布。

2)音頻電穿透法。音頻電穿透法利用低頻交流視電阻率在一定條件下近似等價于直流電法視電阻率的原理，使用低頻交流單頻測量，利用相對簡單的直流電法方法原理解釋。

3)瞬變電磁法。瞬變電磁法是一種感應類時間域電法，該方法以接地或不接地導線向地下發射脈沖電磁場，瞬變電磁儀接收的信號是目標體在激發場(一次場)作用下產生的渦流場(二次場)的電動勢，對二次場空間分布特性和時間特性進行觀測和研究，根據反演得到的視電阻率可以推斷解釋如陷落柱、采空區、斷層等含水導水地質構造。

3 隱蔽致災因素探查效果

3.1 礦井直流電法超前探測老窯采空區

中國中煤能源股份有限公司平朔分公司某礦由于礦區內老窯采空區分布不清、有無積水未知，成為9號煤掘進工作的安全隱患。采用礦井直流超前探測技術探查老窯采空區、斷層等含水或導水地質構造。圖1為9號煤南翼主運大巷6號測量點前24 m的巷道迎頭位置直流電法順煤層超前探測結果。

探測結果：共發現2個低阻異常，一號異常低阻異常區位于掘進迎頭前方40 m～44 m處，二號異常低阻異常區位于100 m～108 m處。當礦方掘進至掘進迎頭前方43.3 m處時發生老窯透水事故，最大突水量約9 000 m3/h，造成工作面迅速被淹所幸未造成人員傷亡。后期礦方排干水后對二號低阻異常區進行鉆探驗證，結果證實其為老窯積水采空區。

寧夏石嘴山某礦回風斜井掘進迎頭超前探測成果如圖2所示。共發現3個低阻異常，編號為一號異常、二號異常和三號異常，分別位于迎頭前方0 m～6 m，49 m～56 m和78 m～80 m處。后期對異常特征比較明顯的一號異常進行鉆探驗證，結果未發現明顯的地質異常，推斷物探異常為巖層裂隙水的反映。對二號異常進行超前鉆探，結果表明前方為采空積水區，共疏放積水約22 000 m3。三號異常為局部破碎帶。

3.2 音頻電穿透法探測陷落柱

準旗某煤礦6號煤層全井田奧灰帶壓，下伏奧灰含水層將對煤層開采形成嚴重威脅。因此在工作面回采前，采用巷道電透視對工作面內可能發育的垂向導水通道進行探測。結果如圖3所示。

探測結果：異常在底板下0 m～80 m范圍內均發育，為垂向聯通的低阻異常體，推測為垂向含水體。驗證結果：在鉆孔未進入異常范圍內時出水量均小于10 m3/h，鉆孔進入物探異常范圍內后，出水量呈現明顯增長趨勢。目前該異常區已放水超過120萬m3。組織防治水專家組對工作面物探異常區探查召開專題會議。根據防治水專家組會議意見，工作面物探異常區基本確定為導水陷落柱。

3.3 礦井瞬變電磁法探測封閉不良鉆孔

山西某礦一批鉆孔因成孔時間較早，其準確鉆孔位置和鉆孔封閉情況不明，成為隱蔽致災因素。根據前期收集的地質資料，某封閉不良鉆孔位置位于該礦2301輔運巷掘進迎頭附近。但是鉆孔的孔斜及封孔資料不詳。采用瞬變電磁探法探查該鉆孔的封堵情況，結果見圖4。

探測結果:在巷道迎頭正前方40 m有一個圓形的異常區域，該異常區位置與收集的地面鉆孔的位置較為接近，因此將其解釋為鉆孔的反映，且鉆孔的孔斜度較小。由視電阻率推斷該鉆孔在煤層附近富水性較弱，沒有與深部的灰巖水直接導通的通道。驗證結果：礦方在提交資料后，在異常區域以順掘進方向偏左15°方向布設了90 m超前鉆孔，終孔無水。本次瞬變電磁法探測區域劃定的鉆孔位置與實際地面鉆孔位置基本吻合。

3.4 地面瞬變電磁法探測采空區

內蒙古某露天煤礦西部為寶馬礦業(現已關停)，現有資料反映寶馬礦業越界開采該露天煤礦境界內煤炭資源，形成采空區，其位置不明、積水情況不詳。上述越界開采不但給露天煤礦帶來較大的資源損失，而且目前輪斗挖掘機工作面已經處于采空區上面，給輪斗挖掘機生產帶來極大的安全隱患。采用地面瞬變電磁法探測越界開采6煤的采空區分布范圍和積水狀況，結果見圖5，圖6。

探測結果：圖5為測區內8線反演電阻率斷面圖，圖中電阻率由淺至深的變化趨勢整體呈現“高～低～高～低”的變化特征，煤層附近電阻率等值線發生明顯扭曲變形，呈明顯的低阻異常特征，推斷煤層附近低阻異常為6煤采 空區積水的電性反映，圖6為6號煤層采空區分布范圍推斷成果圖，為根據每條反演電阻率斷面圖特征、參照已知地質、鉆孔資料推斷而來。圖中有2處根據瞬變電磁推斷的采空區，驗證結果：后期布設的驗證鉆孔ZK2,ZK3。在推斷6煤采空區分布范圍內，上述兩個鉆孔均打到6煤采空區，且采空區內部存在部分積水。

4 結語

通過將電法勘探技術應用于煤礦水害隱蔽致災因素探查，為煤礦安全開采提供了一定的技術保障。實例證明該方法是可行的，探查效率高、探查準確。