物探技術(shù)在巷道掘進(jìn)防治水中的綜合應(yīng)用

摘 要：物探技術(shù)在煤礦防治水中具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但單一的物探技術(shù)都有其自身的特殊性和局限性，綜合多種物探技術(shù)取長補(bǔ)短才能較全面的反映出礦區(qū)富水特點(diǎn)，為防治水工作提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)。本文在簡述了高密度電法和井下直流電法勘探的基本原理基礎(chǔ)上，通過具體綜合應(yīng)用實(shí)例，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成圖并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析，推測(cè)出較為準(zhǔn)確的異常區(qū)域存在范圍，確定了綜合物探技術(shù)具有更好的使用效果，對(duì)今后礦山水患預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：物探技術(shù)；高密度電法；井下直流電法；防治水

前言

物探技術(shù)具有快速準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)安全等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦防治水被廣泛應(yīng)用并顯示出其優(yōu)勢(shì)，但單一的物探方法在具有一定效果同時(shí)也存在一定的局限性[1]。所以利用多種物探技術(shù)對(duì)礦井地下水富集情況及地下巖溶水道分布等情況進(jìn)行綜合分析，才能為礦山防治水提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)，故綜合物探技術(shù)是煤礦水患預(yù)測(cè)的應(yīng)用重點(diǎn)[2]。本文通過對(duì)DUK-2A高密度電法儀和YDZ50礦井直流電法儀在巷道掘進(jìn)周圍潛在的水患探測(cè)綜合應(yīng)用，為礦山防治水提供依據(jù)，為綜合不同物探技術(shù)更加準(zhǔn)確的推斷巷道掘進(jìn)前方富水情況進(jìn)行了探索。將本項(xiàng)目的研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，也取得了良好效果。

1 技術(shù)原理

1.1 高密度電法

高密度電法是典型直流電法勘探，在地質(zhì)體電性差異的基礎(chǔ)上，通過多路轉(zhuǎn)換器供電，測(cè)量電極的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尋找地質(zhì)體電性規(guī)律，觀測(cè)地質(zhì)體電性差異以達(dá)到地質(zhì)勘察的目的。其電阻率的求取是通過供電電極供電，利用測(cè)量電極測(cè)量電位差，從而求得該電極點(diǎn)的視電阻率[3]。高密度電法工作示意圖如圖1所示。

圖1 高密度電法工作示意圖

1.2 井下直流電法

如圖2所示，在層狀空間中采用6電極系裝置，在巷道掘進(jìn)工作面附近等間距布置3個(gè)供電電極A1、A2、A3，分別往地下供入直流電建立人工電場(chǎng)，根據(jù)電流場(chǎng)分布原理，各供電電極分別供電時(shí)都是點(diǎn)電源，其電流線以Ai（i=1、2、3，下同）極為球心往外輻射，其等電位面是以Ai為球心的球面，該球面的特點(diǎn)是在同一個(gè)球面上的任意一點(diǎn)的電位相同。由一定間隔的M、N電極測(cè)得2個(gè)球殼之間的電位差UMN[4]。根據(jù)電位差發(fā)生變化，推斷前方是否存在異常體。

對(duì)于均勻全空間，點(diǎn)電源Ai產(chǎn)生的電場(chǎng)分布特征可表示為

UM=I？籽/（4？仔RAM） （1）

UN=I？籽/（4？仔RAN） （2）

其中，UM、UN為M、N點(diǎn)之電位，V；I為供電電流強(qiáng)度，A；ρ為均勻空間介質(zhì)電阻率，Ω·m；RAM、RAN為觀測(cè)點(diǎn)M、N到點(diǎn)電源Ai的距離，m。所測(cè)的視電阻率ρS=KΔUMN/I，K為裝置系數(shù)，ΔUMN=UN-UM[5]。

2 工程實(shí)例

2.1 礦區(qū)概況

礦區(qū)地處貴州高原向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶，是巖溶分布最為集中和典型的地區(qū)。礦區(qū)及周邊出露的地層由老到新分別為二疊系中統(tǒng)茅口組、二疊系上統(tǒng)吳家坪組、長興-大隆組。其中二疊系上統(tǒng)吳家坪組第二段（P3w2）為本區(qū)主采煤層，底為薄及中厚層燧石層夾灰?guī)r透鏡體。礦區(qū)內(nèi)遺留了較多小窯采空區(qū)及溶巖空洞發(fā)育，這就為礦區(qū)內(nèi)的安全開采帶來隱患，所以清楚掘進(jìn)巷道前方是否存在溶巖空洞、老采空區(qū)等水患對(duì)礦井生產(chǎn)具有重大意義。

2.2 工作布置

本工程用YDZ50型礦用本安并行直流電法儀在井下運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)布置各布置1條物探線。本次巷道掘進(jìn)頭超前探測(cè)采用三點(diǎn)三極超前探測(cè)方法，該方法由3個(gè)三極探測(cè)裝置組成，在巷道掘進(jìn)頭以一定間距布置3個(gè)供電電極，另一供電電極布置在無窮遠(yuǎn)處。測(cè)量電極MN以一定間距向巷道后方移動(dòng)，對(duì)于每個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)量3對(duì)電極所對(duì)應(yīng)的視電阻率值。三點(diǎn)三極探測(cè)技術(shù)可以利用同一組MN測(cè)量的三組視電阻率值進(jìn)行校正，消除干擾，提高解釋準(zhǔn)確度[6]。

每條物探線打孔30個(gè)，孔間距為4m，孔深約0.3m。在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，首先將先前準(zhǔn)備好的鹽與黃泥混合填堵鉆孔，然后將銅電極插入孔中，保證銅電極能夠與圍巖盡量接觸良好。然后，在距巷道迎頭4米，沿巷道掘進(jìn)方向以等間距（4m）后退布置供電電極M1、M2、M3，將另一供電極B布置在即無窮遠(yuǎn)處。最后從M1、M2、M3順巷后退4m，以4m間距順巷道布置測(cè)量電極MN，同時(shí)測(cè)量電壓和電流計(jì)算視電阻率，依次移動(dòng)電極MN完成測(cè)量直至探測(cè)工作結(jié)束。完成數(shù)據(jù)采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得出數(shù)據(jù)處理圖如下：

圖3 運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭超前探測(cè)結(jié)果

圖4 回風(fēng)巷掘進(jìn)頭超前探測(cè)結(jié)果

井下不同巖礦石的電性參數(shù)[7]如下：

表1 井下不同的巖礦石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)井下不同巖礦石的參數(shù)可知在運(yùn)輸巷前方0-25m、65-85m及回風(fēng)巷0-10、30-50m、65-110m處存在低阻異常（ρs<100）區(qū)域，但不能準(zhǔn)確判斷區(qū)域面積也不能進(jìn)一步的推測(cè)異常來源。結(jié)合礦井開拓資料我們?cè)谶\(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的上方地面布置第一條高密度勘探線，在運(yùn)輸巷前70m，也即回風(fēng)巷前45m處（此位置處于兩條巷道的低阻異常區(qū)域）地面布置第二條高密度勘探線，在回風(fēng)巷前80m處（此位置處于回風(fēng)巷第二個(gè)低阻異常區(qū)域）布置第三條高密度勘探線。這樣測(cè)量結(jié)果就可反映出在異常區(qū)域垂向剖面上異常區(qū)域范圍，進(jìn)而在測(cè)量區(qū)域形成一個(gè)較為立體的異常范圍。布置的高密度勘探線點(diǎn)距10m，電極數(shù)分別為120、90、120，剖面分別為1200m、900m、1200m。完成數(shù)據(jù)采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得出數(shù)據(jù)處理圖如下：

圖5 高密度電法儀1線反演處理結(jié)果

圖6 高密度電法儀2線反演處理結(jié)果

在高密度電法探測(cè)結(jié)果中，地層巖性電性特征[8]可見表2。

結(jié)合地質(zhì)資料圖5中的高阻電阻異常區(qū)域K1、K2、K3、K4應(yīng)為為礦井巷道，雖然在井下巷道超前探中，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷前10m處均存在低阻異常，但其周圍是視電阻率不大且都比較平均，可推測(cè)推斷巖溶裂隙半填充，對(duì)開采基本無影響，在G1-G5處存在還存在明顯的低阻異常但離開采范圍較遠(yuǎn)不影響開采。在高密度探測(cè)結(jié)果圖6、圖7中低阻（ρs<600）異常區(qū)域I1，結(jié)合井下巷道探測(cè)結(jié)果其低阻異常區(qū)域可在空間做一定的呈現(xiàn)，在結(jié)合礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)資料，可推斷為溶巖空洞或由巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎富水引起。根據(jù)以上信息對(duì)實(shí)際生產(chǎn)做出了指導(dǎo)，并在后續(xù)的生產(chǎn)掘進(jìn)過程對(duì)其驗(yàn)證確定低阻異常區(qū)域?yàn)槿軒r空洞引起。確定了此次綜合物探具有較好的效果。

3 結(jié)束語

高密度電法與井下巷道超前物探技術(shù)都是現(xiàn)在應(yīng)用較廣的礦井物探技術(shù)，但其都存在有缺點(diǎn)，通過以上工程可看出：（1）對(duì)于井下巷道超前物探技術(shù)為井下操作其設(shè)備輕便，便于攜帶，探測(cè)區(qū)域?yàn)橄锏勒胺綄?duì)掘進(jìn)區(qū)域預(yù)測(cè)范圍較大，但其作業(yè)受巷道長度影響較大，且不能對(duì)掘進(jìn)區(qū)域周圍含水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)故其不能對(duì)水患來源進(jìn)行較為準(zhǔn)確的推測(cè)。（2）對(duì)于高密度電法為地面操作其具有受地形影響小，探測(cè)范圍為垂直地面的平面探測(cè)面大可對(duì)巷道周圍含水情況進(jìn)行大體推斷，確定水患來源等優(yōu)點(diǎn)，但其不方便攜帶且探測(cè)面為垂直地面向下的面，對(duì)于巷道正前方范圍水患預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)范圍小等缺點(diǎn)。

通過進(jìn)行以上兩種不同的物探方法來綜合推斷巷道掘進(jìn)中的水患存在情況可進(jìn)行技術(shù)上的互補(bǔ)為以后的掘進(jìn)生產(chǎn)提供更為精確的水患預(yù)測(cè)，減少鉆孔工作量。綜合物探技術(shù)根據(jù)具體地質(zhì)任務(wù)，對(duì)不同物探方法進(jìn)行合理組合（平面和垂向），達(dá)到相互彌補(bǔ)、映證目的，能得到更合理、客觀的探測(cè)結(jié)論，從而提高勘探效率及效果。

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作者簡介：齊飛（1988-），男，山東臨沂，在讀研究生，從事電法勘探研究。

通訊作者：張義平，男，貴州大學(xué)教授。