電法類物探技術(shù)在煤礦工作面突水防治中的應用

周小龍

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001）

電法類物探技術(shù)在煤礦工作面突水防治中的應用

周小龍

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001）

本文分析了適用于煤礦工作面突水防治的幾種電法類物探技術(shù)的基本原理和工作方法。雙巷電法、音頻電透視和無線電波透視技術(shù)對相對低阻的含水層和導水通道都有較好的反映。以物探探查結(jié)果為指導，結(jié)合鉆探工程可以有效地進行煤礦工作面的突水防治工作。

礦井突水;直流電法;音頻電透視;無線電波透視技術(shù);工作面

0　引言

煤礦水害是僅次于瓦斯災害的第二大煤礦災害性事故，隨著我國煤礦的開采深度逐年加大，面對更加復雜的開采條件，突水、淹井等煤礦水害事故也不斷發(fā)生。礦井突水是由于煤層下伏承壓水或相鄰采空區(qū)的老空積水沖破煤層底板隔水層、防水煤柱的阻隔，以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式進入工作面，造成礦井涌水量增加或淹井的地質(zhì)及采動影響現(xiàn)象。我國煤礦地質(zhì)條件和開采條件差異很大，松散地層水、砂巖裂隙水、灰?guī)r巖溶水、老空水等都可能成為工作面突水水源之一，復雜的地質(zhì)構(gòu)造條件、深部煤層的開采及老空區(qū)的存在進一步使得突水防治工作越來越困難[1]。目前，隨著煤礦防治水工作研究的不斷開展，已有多種物探技術(shù)運用于煤礦的水害防治，而電法類物探技術(shù)通常對礦井水的探測效果較靈敏，如礦井工作面雙巷電法、音頻電透視法、無線電波透視探測技術(shù)等。本文對這些探測技術(shù)在礦井突水中的應用進行了分析總結(jié)。

1　礦井突水物探探測的地球物理基礎(chǔ)

礦井突水的兩個基本條件水是水源和通道。礦井工作面突水事故是由于采動影響的頂?shù)装鍘r層變形引起周邊原生裂隙及次生裂隙相互連通，形成導水通道而導通周邊的含水層所致。煤系地層突水的主要含水部位為砂巖和灰?guī)r的含水裂隙區(qū)及充水的老窯區(qū)，而突水的通道主要為裂隙帶、斷層帶和陷落柱等，這些含水部位和導水通道與正常巖層間均表現(xiàn)出顯著的電性差異。電法勘探主要針對巖層中的電阻率差異常來進行探測，含水體及導水通道通常具有顯著的低電阻率特征，而不含水的裂隙帶、斷層帶和陷落柱則表現(xiàn)為顯著的高電阻率特征。因此，適合采用電法類物探技術(shù)來探測可能的含水體和導水通道，從而指導工作面突水的防治工作[2]。

2　礦井工作面水害探查常用物探技術(shù)

2.1 礦井工作面雙巷電法

礦井工作面雙巷電法屬于直流電法[3]，在工作面巷道中進行。為減少現(xiàn)場探測時間，通常采用網(wǎng)絡并行電法儀進行探測。并行電法通過一次布設(shè)多道電極，在一次供電時，可以同步采集測線上各電極點電位變化情況，提升工作效率的同時還削弱了游散電流等干擾因素帶來的影響，進而提高了直流電法采集數(shù)據(jù)的信噪比，大大增加了探測的準確性。數(shù)據(jù)采集方式有AM法和ABM法，可實現(xiàn)所有直流高密度電法探測（如溫納二極、三極、四極等）數(shù)據(jù)反演。通過將電法測線布置在已掘巷道中煤層的底板或頂板上，以此來觀測不同位置不同標高的電位變化情況，再利用雙巷三維電法反演，可以得出工作面底板或頂板范圍內(nèi)的電阻率分布情況，從而實現(xiàn)在三維空間圈定相對富水區(qū)。

雙巷電法測線主要沿巷道布置，對巷道周邊的電性變化特征靈敏，但對遠離巷道的富水區(qū)范圍探測精度降低。巷道內(nèi)的金屬管道、金屬設(shè)備對該方法探測的影響相對較小，且該方法的探測結(jié)果通?？煽啃暂^高[4]。如圖1所示的是利用雙巷三維并行電法對皖北煤電某工作面底板灰?guī)r賦水情況探測得到的結(jié)果，共圈定了5個較強的相對低阻區(qū)作為富水區(qū)，與鉆孔探放水資料相吻合。針對這些富水區(qū)進行了底板注漿加固工作，封閉了可能的裂隙導水通道，確保了工作面的安全回采。

圖1　某工作面雙巷三維并行電法探測結(jié)果圖

2.2 音頻電透視法

礦井音頻電透視法以巖石導電性差異及全空間電場分布理論為基礎(chǔ)，向地下人工供入音頻電流，利用穿過采煤工作面由供電點到測量點電流線的電位降數(shù)據(jù)，通過層析成像技術(shù)給出工作面內(nèi)電性變化圖像，可以探查工作面頂?shù)装逡欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的含水異常區(qū)[5]。該法在井下工作時采用軸向單極-偶極法進行數(shù)據(jù)采集，即位于采煤工作面一條巷道中布置供電電極A，供電電極B置于無窮遠處，在對面巷道中布置測量電極對（M、N電極）。根據(jù)工作面的寬度，在與供電電極A對應位置兩側(cè)一定范圍內(nèi)布置多個測量電極對（M、N電極），采用扇形區(qū)域接收(如圖2所示)。通過對巷道1內(nèi)所有供電電極重復測量，確保測區(qū)內(nèi)各單元均被覆蓋，之后交換順序，將供電電極布置于巷道2中，將接收電極布置于巷道1中，按照同樣方式進行探測。含水范圍接收的MN電位差曲線通常明顯偏低，這樣可以確定含水區(qū)影響的范圍，通過多點透視電位數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對含水異常區(qū)的圈定。這樣的探測方式可以較好地壓制來自探測區(qū)域外的干擾，突出工作面內(nèi)部頂?shù)装逯泻w的影響，提高探測結(jié)果的精確度。

礦井音頻電透視法的優(yōu)點在于采用低頻波建立人工電場，設(shè)定對應的接收頻率，這樣可以更好地避免其它頻率信號造成的干擾，同時在井下抗電流干擾能力強，探測距離大。該方法對范圍較大的低阻區(qū)通常有明顯的反映，特別是對工作面中部的富水區(qū)反映較好，但是該方法不能很好地區(qū)分富水區(qū)存在于底板還是頂板，因此還需要進一步探查驗證[6]。

圖2　礦井音頻電透視法探測示意圖

2.3 無線電波坑透技術(shù)

礦井無線電波坑道透視技術(shù)屬于高頻電磁波勘探技術(shù)，主要應用于探測煤層內(nèi)陷落柱、斷層、煤層變薄區(qū)等地質(zhì)異常范圍的分布情況。電磁波在煤、巖層中傳播時，其強度大小由煤巖電性參數(shù)決定[7]。當電磁波在穿越工作面煤層的過程中，低阻巖層會較強地吸收電磁波，若遇到與煤層電性不同的地質(zhì)體如斷層、陷落柱、含水帶、頂板垮塌或其它地質(zhì)構(gòu)造時，會產(chǎn)生折射、反射作用，電磁波能量會被吸收或完全屏蔽，接收信號明顯減弱，或者完全接收不到，出現(xiàn)透視異?，F(xiàn)象。井下坑透法一般在兩巷道間進行，如在回風巷布置發(fā)射點，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，利用安置在運輸巷的接收機觀測電磁場場強H信號。觀測時通常采用定點法，對一巷道內(nèi)發(fā)射點的發(fā)射信號，在另一巷道設(shè)計多點進行觀測，形成扇形觀測范圍。通過不同發(fā)射點的綜合曲線圖，可以分析地質(zhì)異常變化情況，也可以采用層析成像反演的方法，得到工作面場強平面分布圖和吸收系數(shù)平面分布圖，以此來研究地質(zhì)異常體的平面范圍。

含水陷落柱通常具有顯著的低電阻率值特征，可對電磁波進行強烈地吸收，導致在坑透綜合曲線圖上出現(xiàn)“漏斗型”或“U”字型特征，在吸收系數(shù)圖上表現(xiàn)為顯著的高吸收系數(shù)值。而斷層帶由于斷層產(chǎn)狀、斷距大小及斷層走向長度的不同，以及由于發(fā)射點和接收點與斷層相對位置的不同，斷層透視異常曲線的形態(tài)多樣。透視綜合曲線對斷層的反映一般是衰減系數(shù)η＜0dB的低值異常，在吸收系數(shù)圖上表現(xiàn)為較高的吸收系數(shù)值。通常斷層落差越大，η值越小，斷層影響范圍計算出的煤巖層吸收系數(shù)值越大[8]。

3　電法類物探技術(shù)在煤礦工作面突水防治中的應用

對于可能存在突水的煤礦工作面，井下物探工作通常在工作面貫通以后，煤層回采以前進行探測。若煤礦突水的威脅程度較小，通常采用一種物探方法即可；而對于煤礦突水威脅程度較大的情況，則通常采用二種以上的物探探測方法來進行探測。對于探測出的地質(zhì)異常區(qū)，由于物探結(jié)果存在多解性，并不能作為最終的決策依據(jù)，往往需要結(jié)合鉆探進行驗證[9]。對于物探探測出的相對富水區(qū)，可以采取針對性的鉆探布置方案，在相對富水區(qū)內(nèi)適當加密探放水鉆孔，而在相對富水區(qū)外，則可以適當減少鉆探工作量，以優(yōu)化鉆孔的設(shè)計方案。對于可疏放水富水區(qū)，往往采用鉆孔疏放水的方法針對富水區(qū)范圍放水以消除突水來源；對于無法進行疏放水的富水區(qū)，往往采用注漿加固的方法來封閉斷層、裂隙或陷落柱等導水通道，從而增加隔水層厚度，以達到防治水安全規(guī)定要求[10]。

4　結(jié)論

（1）煤礦工作面突水的充水水源區(qū)和導水通道與圍巖具有顯著的電性差異，適宜于采用電法類物探技術(shù)進行探測。

（2）工作面雙巷電法、音頻電透視和無線電波透視技術(shù)是煤礦工作面突水預防的有效探查手段，結(jié)合鉆探工程，可以有效地消除突水隱患。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.078

周小龍（1989-）,男,安徽黃山人,碩士研究生,研究方向:工程與環(huán)境地球物理勘探。