音頻電透視法在37221-1綜采工作面富水性探測中的應(yīng)用

魏仕賢

摘要：本次采用音頻電透視探測施工地點為37221-1綜放工作面，為確保37221-1工作面安全回采，采用128HZ、16Hz兩個頻段的音頻電透視對37221-1工作面頂板和37121-1工作面采空區(qū)0-30m、30-70m范圍對富水性進(jìn)行探測，最后通過層位成果圖對比判斷950水平各工作面采空區(qū)和37121-1工作面采空區(qū)下順槽積水區(qū)域，為采空區(qū)積水探放和37221-1工作面安全回采提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：音頻電透視;富水性;導(dǎo)通性

1.礦井概況

東峽煤礦位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭市境內(nèi)，地處華亭煤田東南部，隸屬華亭市東華鎮(zhèn)管轄，礦井為斜井開拓、暗斜井延伸、多水平開采，采用傾斜分層走向長臂綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。地理位置位于華亭城東1.8km處，東距安口鎮(zhèn)20km，南距寶雞市157km，西南距天水市159km，北距平?jīng)鍪?4km，均有公路相通。礦井水文地質(zhì)簡單，涌水量為25-50m3/h，主要水源為生產(chǎn)用水、灌漿水、煤層頂?shù)装宓诙鹾畬印⒌谝蝗鹾畬又械乃渲泄酀{水對礦井安全回采威脅最大。

2.37221-1綜放工作面概況

37221-1工作面位于875-940階段，工作面平均長度為120m，斜上部為35119-1、35219-1工作面采空區(qū)，正上方為37121-1工作面采空區(qū)，煤巖層產(chǎn)狀為266°-268°∠22°-34°，構(gòu)造為一傾向南西，傾角22°-34°的單斜構(gòu)造。煤6層位于第二弱含水層和第一弱含水層之間，第二弱含水層主要為河流相、湖泊相交替沉積，厚72-180m，該含水層為一弱含水層，單位涌水量為g=0.00096L/m·s、滲透系數(shù)k=0.00104m/d。第一含水層廣泛分布于井田內(nèi)及其外圍，為煤系地層沉積基底，單位涌水量g=0.0.0018L/m·s、滲透系數(shù)k=0.0025m/d，在水力聯(lián)系上均較差。

3.主要工程

本次施工地點為37221-1綜放工作面上、下順槽（南段），工作面法向老頂為第二弱含水層，37221-1下順槽西部為37121-1綜放工作面采空區(qū)下順槽，為確保37221-1工作面安全回采，采用音頻電透視法對37221-1工作面頂板和37121-1采空區(qū)進(jìn)行富水性探測，探測深度不低于70m。

4.基本原理

利用各種巖石之間存在電性差異的規(guī)律來解決地質(zhì)及水文地質(zhì)問題。

4.1地電模型及點源場的分布特征

礦井電透視穿透法以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)，對于均勻全空間，點電源產(chǎn)生的電場分布特征，可用如下關(guān)系式表達(dá)：

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

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

4.2含水構(gòu)造對點源場的電位影響

含水構(gòu)造可以模擬為局部地質(zhì)體，如圖2-2c所示。

對于井下局部地質(zhì)體的附加場，可用導(dǎo)電球來說明問題。即電流場中導(dǎo)體的異常可以近似地看作電偶極子的異常。其表達(dá)式為：

則低阻良導(dǎo)體產(chǎn)生一個負(fù)電位，如圖2-2a所示。對于井下近似三層地電模型來說，其點源場電位表達(dá)式為：? ? ? ?U=U0+Un（10）

式中：U0為無局部地質(zhì)體時的電位分布;Un為局部地質(zhì)體的異常。

根據(jù)（5）、（10）式反映出異常曲線（U/U0）是以點源A與地質(zhì)體連線的延線為對稱軸的軸對稱曲線，如圖2-2b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2-2c為頂板上存在含水體與不含局部水體等兩種條件下電位測量曲線的比較示意圖。

5.施工布置

本次音頻電透技術(shù)探測，自37221-1工作面的切眼位置開始，分別在上順槽、下順槽編點為1#，以10m為點距編號，上順槽1#～61#，下順槽1#～54#。發(fā)射點間距為50m，對應(yīng)巷道進(jìn)行扇形掃描接收。設(shè)計本次物探工作在上順槽、下順槽頂板分別布置發(fā)射點12個，接收點分別為上順槽61個，下順槽54個。觀測系統(tǒng)示意圖如圖2-4。

a.軸向單極——偶極法? ? ? ? b.井下電穿透測量方式

6.參數(shù)選擇

礦井音頻電透視法使用YBT32礦用并行電法透視儀，本次勘探設(shè)置128Hz、16Hz兩個頻點，結(jié)合低、高頻的特點，采用128HZ探測頂板0-30m范圍內(nèi)富水性，16Hz勘探30-70m范圍內(nèi)富水性，最后通過層位成果圖對比判斷950水平采空區(qū)和37121-1采空區(qū)下順槽積水區(qū)域。

7. 資料處理

本次探測采用礦井音頻電透視層析成像。利用穿過采煤工作面內(nèi)的電位降數(shù)據(jù)，重建采面電性變化圖像圈定底電阻區(qū)域。

設(shè)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：（x，y）為電性參數(shù)（是x，y的位置函數(shù)）;C為調(diào)節(jié)系數(shù)。

如圖4-1所示。假定第j條射線穿過I個單元，則第j條射線上的電位降表達(dá)式為：（13）

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

將所有各射線建立方程，則有：△U=x·δ? （14），采用多次迭代的近似值法來計算σ的其近似解。

8. 物探成果

經(jīng)過處理獲得物探成果圖件，將物探成果和已知的地質(zhì)資料相結(jié)合，從點到線，由線到面，由淺入深的原則進(jìn)行綜合分析得出地質(zhì)結(jié)論。

一般而言，在地層巖性切向相對均一的條件下，同一頻率建立的電場所獲得的視電導(dǎo)率值越高，說明地層的綜合導(dǎo)電性越好，含水也就越豐富。根據(jù)統(tǒng)計解釋原則，獲得頂板存在2個異常區(qū)，編號為YC1#、YC2#（圖4-1紅色圈定區(qū)域）。

9.結(jié)論分析

東峽煤礦37221-1工作面音頻電透視勘探結(jié)果存在2個電性異常區(qū)域，分析如下：

1.30～70m電導(dǎo)率擬斷面圖大部分區(qū)域電導(dǎo)率值高于閾值，表現(xiàn)為相對低阻、高電導(dǎo)，且相對均一連續(xù)，結(jié)合地質(zhì)情況，在平面圖中標(biāo)記的YC2#位置富水性較為明顯;0-30m電導(dǎo)率擬斷面圖表現(xiàn)為局部相對低阻、高電導(dǎo)，進(jìn)而局部區(qū)域富水，且在平面圖中YC1#位置較為明顯，主要為采空區(qū)富水、裂隙少量富含水。

2.YC1#異常區(qū)位于工作面退尺20～120m，傾向上貫穿工作面，范圍相對集中，異常幅度相對較大，分析判定該區(qū)為37121-1采空區(qū)積水。

3.YC2#異常區(qū)位分布在工作面外段，位于工作面退尺20-100m傾向上貫穿工作面。電導(dǎo)率相對較高、電阻率相對較低、異常幅度較大，分析判定該頂板含水層富水。

參考文獻(xiàn)：

[1]順槽掘進(jìn)工作面地質(zhì)說明書.

[2]875-940階段工作面布置剖面圖.

[3]礦井采掘工程平面圖.

[4]礦井地層綜合柱狀圖.

[5]37221-1工作面設(shè)計說明書.