音頻電穿透技術(shù)在探查工作面頂板富水性的應(yīng)用

張國恩，解振華，史洪愷

（國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017205）

隨著我國采礦業(yè)不斷的發(fā)展，機(jī)械化開采水平不斷提高，煤礦回采工作面的長度和寬度逐漸趨于增大，導(dǎo)致工作面內(nèi)部存在隱伏構(gòu)造的可能性也越來越高[1-2]，對于神東礦區(qū)淺埋煤層受松散含水層下影響的超長采煤工作面，其導(dǎo)水構(gòu)造顯現(xiàn)的問題已成為影響礦井安全回采的關(guān)鍵性問題[3-5]。近年來，眾多學(xué)者專家在回采工作面內(nèi)部存在隱伏構(gòu)造上做了大量的研究并取得了顯著成果。徐建兵等[6]利用精細(xì)化解釋技術(shù)對瞬變電磁二次場響應(yīng)物理場特征進(jìn)行了研究，得到高分辨的視電阻率成果圖；于景邨、馬蓮凈等[7-8]總結(jié)現(xiàn)有探測方法對綜合物探技術(shù)在煤礦防治水工作中的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行深入性研究。經(jīng)過眾多專家學(xué)者的研究[9-16]，國內(nèi)外對礦井水害探測技術(shù)已趨于成熟，但淺埋煤層受松散含水層下影響的超長采煤工作面內(nèi)部導(dǎo)水構(gòu)造有待進(jìn)一步深入研究。礦井水害探測的物探方法中傳統(tǒng)直流電法受井下防爆規(guī)定限制及空間的影響，實(shí)際應(yīng)用過程中受到較大限制；地質(zhì)雷達(dá)法探測距離相對較短，不適應(yīng)于采煤工作面探測；瞬變電磁法主要以探查掘進(jìn)前方內(nèi)部導(dǎo)水構(gòu)造情況為主，而音頻電穿透法利用巖石之間存在的導(dǎo)電差異性，對頂板上部富水性較強(qiáng)及低阻區(qū)的地質(zhì)異常體探測較為靈敏。為此運(yùn)用礦井音頻電透視交匯法對烏蘭木倫煤礦松散含水層下回采工作面頂板上部巖層導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行探查，推斷含水層內(nèi)部水的分布范圍及分析采空區(qū)積水的分布范圍，保證回采安全，為該礦工作面防治水工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為類似礦井單位回采工作面導(dǎo)水構(gòu)造探測提供參考。

1 工程概況

烏蘭木倫煤礦現(xiàn)開采12與31煤層，即將開采22煤層，為淺埋深煤層。12與22煤層平均層間距23 m，22與31煤層平均層間距33 m。按照順序開采，最上部的12煤層開采后局部導(dǎo)通上覆第四系松散含水層，由于松散含水層厚度較大，開采后形成的導(dǎo)水裂縫帶隨著時(shí)間推移有部分閉合，主要含水層第四系松散含水層下降幅度不大，下組煤層開采時(shí)再次成為主要含水層。探測選取12421工作面與31411工作面分析其頂板巖層的電性變化特征。

12421工作面煤層厚度1.5～2.7 m，平均厚度2.1 m。工作面含水層主要為松散含水層和基巖孔隙裂隙含水層，其中松散含水層厚為0～20 m，由切眼向回撤通道厚度逐漸變薄?；鶐r孔隙裂隙含水層滲透性能差，為弱富水性。在物探區(qū)域內(nèi)松散含水層厚度為0～13 m，在回采過程中產(chǎn)生的裂縫可能導(dǎo)通上部含水層。

31411工作面上覆基巖厚度87～177 m，最薄位于31411-1工作面切眼處。工作面初采段位于廉家海子古沖溝溝底附近，上覆基巖厚度最小87 m，對應(yīng)松散含水層厚度最大45 m。工作面推采至371～1 296 m上覆為12418工作面～12421工作面采空區(qū)，層間距51～53 m，平均52 m。31煤層實(shí)測裂采比20.85～24.78計(jì)算，工作面回采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?3.4～99.1 m，回采后可能會(huì)導(dǎo)通上覆松散含水層水及上覆采空區(qū)水。

2 采煤工作面導(dǎo)水構(gòu)造電性特征

研究表明[17-19]，當(dāng)存在局部異常地質(zhì)體時(shí)，點(diǎn)電源分布特征可等效于原始點(diǎn)電源場與局部異常地質(zhì)體附加場的總和。異常地質(zhì)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。

礦井音頻電穿透法以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)。煤層與其頂、底板一般為砂巖、泥巖互層具有明顯的電性差異。而煤層相對其頂、底板為高阻層。根據(jù)鏡像法[20-21]，可以求出全空間內(nèi)任意點(diǎn)的電位表達(dá)式為：

式中：Ui，j為第i層的點(diǎn)源在第j層的電位；I為電流強(qiáng)度；L為供電點(diǎn)至觀測點(diǎn)的距離；ρi為第i層的電阻率值；kn（i，j）為反射系數(shù)函數(shù)。

3 工作面測點(diǎn)的布置與音頻電透視法探測

探測儀器選擇音頻電穿透儀，探測頻率選擇15 Hz與120 Hz雙頻點(diǎn)進(jìn)行施工，測量點(diǎn)間距10 m，發(fā)射點(diǎn)間距50 m。音頻電透視原理示意圖如圖1。Ai與Ak、Aj與AI表示雙頻交叉探測點(diǎn)。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析，探查12421工作面頂板上0～50、50～100 m內(nèi)巖層與31411工作面頂板上0～60 m內(nèi)巖層的賦水異常區(qū)的平面位置、形態(tài)及相對含水性的強(qiáng)弱。

圖1 音頻電透視原理示意圖Fig.1 Diagram of principle of audio frequency electric perspective

12421工作面為刀把面，第1段工作面長為1 593.42 m，寬338.5 m，第2段工作面長為142 m，寬為90 m。物探工程選取第1段工作面，施工長度為500 m，0號測點(diǎn)在12421工作面回風(fēng)巷道24聯(lián)巷，距12421-2工作面切眼600 m位置；50號測點(diǎn)位置在12421工作面34聯(lián)巷，距12421-2工作面切眼100 m；回風(fēng)巷道與主運(yùn)巷道各布置測點(diǎn)51個(gè)，共計(jì)測點(diǎn)102個(gè)。

31411工作面分為31411-1工作面和31411-2工作面2段進(jìn)行施工探測，31411-1工作面第1段工作面施工長度660 m，寬305 m，0號測點(diǎn)在主回撤通道處，測線的終點(diǎn)在31411工作面主運(yùn)巷道27聯(lián)巷，主運(yùn)巷道與對應(yīng)回風(fēng)巷道各布置測點(diǎn)67個(gè)，共計(jì)測點(diǎn)134個(gè)。31411-2工作面施工長度870 m，寬305 m，0號測點(diǎn)在主運(yùn)巷道40聯(lián)巷，測線的終點(diǎn)在31411工作面主運(yùn)巷道55聯(lián)巷，主運(yùn)巷道與對應(yīng)回風(fēng)巷道各布置測點(diǎn)88個(gè)，共計(jì)測點(diǎn)176個(gè)。

4 綜合物探成果分析

4.1 12421工作面頂板音頻電透視成果

該回采工作面受到上覆松散含水層和基巖孔隙裂隙含水層的積水威脅，物探區(qū)域基巖厚度在70～120 m，松散含水層厚度為0～13 m。12421回采工作面綜合物探成果圖如圖2。

圖2 12421回采工作面綜合物探成果圖Fig.2 Comprehensive geophysical exploration result map of 12421 stope face

由圖2可得，12421工作面頂板上0～50 m附近層段內(nèi)巖層共有4處異常，③、④號異常區(qū)幅值都相對較強(qiáng)，①、②號異常區(qū)幅值相對中等，異常區(qū)均呈不規(guī)則長條狀分布，推測出該區(qū)域異常與上覆基巖孔隙裂隙含水層積水有關(guān)。頂板上50～100 m附近層段內(nèi)巖層共有14處異常，①、④、⑥、?、?號異常區(qū)幅值都相對較強(qiáng)，②、③、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、?、?號異常區(qū)幅值相對中等，異常區(qū)主要呈不規(guī)則橢圓狀與長條狀分布，該區(qū)域異常與上覆松散含水層和基巖孔隙裂隙含水層積水有關(guān)。且③、④、?、?號異常區(qū)附近存在多條斷層，則導(dǎo)水可能性較大。

4.2 31411工作面頂板音頻電透視成果

該回采工作面受到上覆12#采空區(qū)積水影響，層間距51～53 m，頂板上0～60 m音頻電透視成果圖主要反映上覆采空區(qū)含賦水性，31411-1回采工作面綜合物探成果圖如圖3。該工作面頂板上0～60 m附近層段內(nèi)巖層共有17處異常，其中31411-1工作面頂板上有13處異常，該異常區(qū)段中①、②、③、⑦、?、?、?號異常區(qū)幅值都相對較強(qiáng)，④、⑤、⑥、⑧、⑨、⑩號異常區(qū)幅值相對中等，異常區(qū)主要呈不規(guī)則塊狀與長條狀分布。異常區(qū)幅值較強(qiáng)的區(qū)域主要存在多條斷層地質(zhì)構(gòu)造，則導(dǎo)水可能性較大。

圖3 31411-1回采工作面綜合物探成果圖Fig.3 Comprehensive geophysical exploration result map of 31411-1 stope face

31411-2回采工作面綜合物探成果圖如圖4。由圖4可以看出，31411-2工作面頂板上有4處異常，該異常區(qū)段中，②、④號異常區(qū)幅值都相對較強(qiáng)，①、③號異常區(qū)幅值相對中等，異常區(qū)呈不規(guī)則半橢圓狀與塊狀分布，①、③號未存在斷層等構(gòu)造，則導(dǎo)水可能性相對較??；②、④號附近存在斷層地質(zhì)構(gòu)造，則導(dǎo)水可能性較大，尤其②號異常區(qū)幅值貫穿工作面，推測出該區(qū)域異常與上覆采空區(qū)含水性強(qiáng)有關(guān)。

4.3 采煤工作面頂板音頻電透視成果綜合解釋

綜合原始記錄成果圖與，結(jié)合現(xiàn)場考察與地質(zhì)資料，對工作面物探異常區(qū)進(jìn)行了劃分圈定及判定。12421工作面頂板上0～50 m附近層段內(nèi)巖層共有4處異常，12421工作面頂板上50～100 m附近層段內(nèi)巖層共有14處異常。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，在異常區(qū)打鉆出水，水壓較大，驗(yàn)證了該工作面受到上覆松散含水層和基巖孔隙裂隙含水層積水影響，且上覆松散含水層和基巖孔隙裂隙含水層含水性強(qiáng)。該工作面回采前需要做好上覆含水層水的探測和疏放工作，在確保安全的前提下回采12421工作面。

圖4 31411-2回采工作面綜合物探成果圖Fig.4 Comprehensive geophysical exploration result map of 31411-2 stope face

31411工作面頂板上共發(fā)現(xiàn)17處異常區(qū)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證在異常區(qū)打鉆出水，出水量較多，驗(yàn)證了31411工作面受到上覆工作面采空區(qū)積水影響。建議將音頻電穿透探測的異常區(qū)作為重點(diǎn)防治水區(qū)域，該探測成果為31411工作面采前防治水工作設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了參考依據(jù)。

5結(jié)論

1）礦井裂隙水的導(dǎo)電性良好，因含水構(gòu)造在電性上表現(xiàn)出與圍巖較大的差異性，從而在縱向與橫向上均打破了原有地層電性的固有變化規(guī)律，通過音頻電穿透法進(jìn)行探測，較為準(zhǔn)確地查明了烏蘭木倫煤礦松散含水層下回采工作面內(nèi)部復(fù)雜的導(dǎo)水異常構(gòu)造。

2）12421工作面頂板上覆松散含水層和基巖孔隙裂隙含水層的含水性相對較強(qiáng)；31411工作面頂板受到上覆工作面采空區(qū)積水影響?；夭汕斑€應(yīng)考慮到頂板涌水情況，根據(jù)工作面防排水系統(tǒng)特征等情況，準(zhǔn)備充足的防排水設(shè)施；回采過程中注意工作面水情監(jiān)測、水文長觀孔的水位變化觀測、并及時(shí)進(jìn)行分析，采取切實(shí)可行措施，確保生產(chǎn)安全。

3）探測成果是在采掘前相對靜態(tài)、平衡條件下得到的，在工作面回采時(shí)，由于地應(yīng)力失去平衡后，不導(dǎo)水的裂隙也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水裂隙，低阻異常區(qū)域是客觀存在的，其能否通過裂隙、構(gòu)造導(dǎo)水并發(fā)生涌出，還受其他諸多因素的影響和控制。