直流電法技術在礦井水害防治的應用

陳根流

摘要：目前煤礦企業(yè)在水害防治中用的技術有雷達檢測，電磁感應探測，直流電法探測等探測技術。常見的就是直流電法探測，此技術手法是20世紀50年代前后從俄羅斯引進，是一種非常成熟的科技探測手法，通過近幾年的不斷探索與總結，其程度已達到國際先進水平，也被多個國家的煤礦企業(yè)所采用。本文將通過一些煤礦探測實例來著重與分析直流電法工作原理，技術優(yōu)點以及在相關領域中應用的價值。

關鍵詞：直流電法；水害防治；煤礦探測

1直流電法技術的工作原理和物理基礎

1.1工作原理

直流電法是通過巖層的導電性，使用專門的探測設備來探查地質狀態(tài)、水文情況的一種探測手法。通過對探測數(shù)據的分析，推測地質情況，地下含水量，對地質活動采取一定的解決方法，防止一些不必要的災害發(fā)生。測量時，在整個空格內建立一個大場，在地下巷道不同位置布置好感應電極，各個電極相互感應聯(lián)結，從而形成一個大的穩(wěn)定的電場網結構。而電場的穩(wěn)定性能又取決于巷道內布好的電極周圍的巖層性能。通過采集到的電場數(shù)據變化規(guī)律，用空間電場理論來解釋，從而大概知道地下水文、巖層礦物含量、地質層結構、煤層采空等相關特征。此探測方法實施非常簡單，具有靈敏度較高，危險性低的明顯優(yōu)勢。

1.2物性基礎

巖層中含有導電介質，具有一定的導電性。巖層的構成成分不同，其導電性也各異。在導體溫度保持不變的情況下，電阻率取決于巖層中的含水量、孔隙的空間特性，以及導電介質多少。泥巖的視電阻率值最低，其次是粉巖，灰?guī)r的電阻率最高。橫向的巖層，因形成時的年代一樣，在一定區(qū)域內，無地形的劇烈變化，其巖層成分大致相同；縱向上看，地殼的運動，每個年代的氣候，地質活動變化，決定每個巖層的含水量不一樣，巖層的擠壓程度也會影響到巖層的軟硬度，富含水的巖層導電性比較強，它與周圍的巖層相比，導電性有著明顯的區(qū)別。

煤層是一種原生地層，年代地層沉淀比較清晰。因此，在縱向和橫向，導電性是有規(guī)律可循的，但是隨著煤礦開采過度和頻繁的地質活動，使得有些巖層斷裂、破碎、充水度不同都會引起地電場的變化。在人為活動開采中.造成的煤層面變薄，斷層等現(xiàn)象都會引起視電阻率的變化。因此，在探測過程中，可由探測到的相關數(shù)據來分析巖層的含水量和煤層的厚度，由此來判定巖層中的成分，從而為后期礦井施工奠定一定的基礎。

2電法技術在應用中的問題及處理措施

2.1裝置方式問題

在裝置方式上，每個煤礦企業(yè)用的方式不同，一般用的是單極偶極、三極測深、四極測深裝置。單極偶極的構成主要有兩個部分供電電極和測量電極。供電電極的任務是向巖層供電，而測量電極負責探測電壓。這種形式通常用于巷道掘進過程中，但問題是測量電壓兩個電極之間會存在巖層成分不均，極大影響了探測效果，另外信號較弱，容易受到影響。三極探測裝置中供電裝置與測量裝置相間分布，操作過程中簡單，所需人員少，但是對地形要求較高，探測信號不強。四極測深裝置采集到的信息容易分析，信號強，但端點常常因為巷道的原因而造成盲區(qū)，所需人員也比較多，在探測中比較費力。三極四極裝置的優(yōu)點互補，多數(shù)煤礦企業(yè)根據自己的本身條件及探測目的對兩種方案進行結合使用，因此比較常見。

2.2數(shù)據采集分析

井下探測直流電法在運行過程中，為了更加的細分巖層，進行數(shù)據的采集和資料綜合，在兩個極線之間的距離控制在4m以內，保證一定的間隔。因為煤層的不固定性，井下探測一般在巖層中進行。而煤層和巖層的構成成分不同，各自的軟度，硬度也不同，造成電極接地時條件差，電阻大，在進行曲線分析時其光滑度不利于資料的解釋，必須結合斷面圖綜合判斷。對于這種情況，建議用專業(yè)的軟件對數(shù)據資料曲線進行平滑，對出現(xiàn)異常數(shù)據的地方可進行多次探測分析，從而得到更好的效果。

根據多年以來的數(shù)據統(tǒng)計，在井下探測時，因全空間和體積因素的制約，探測的有效距離一般在80m以內。但是會因為一些其他設備問題影響到信號的傳遞，造成數(shù)據誤差過大。比如工程中鐵軌，礦車等金屬物對信號的吸收、線路漏電、巷道彎曲度、長度及干濕度不均等一些外在因素的影響。這就要求工作人員在探測前檢查線路是否有漏電情況，并將測量電極布置在一條直線上，探測的過程中注意將電極遠離能干擾信號的金屬物，干燥的地方導電性不強，可將電極打深，加入鹽水等電解質，不好探測的地方可多試幾次，取其平均值，使得到的數(shù)據更科學。

3礦井水害防治的應用實例

由于探測工作還有一些問題存在，所以先取了開灤東歡砣煤礦和瓦窯砰礦采區(qū)來進行測試性的分析。這兩個煤礦開采區(qū)水害較為嚴重，最具有代表性。

3.1開灤東歡砣煤礦——頂板的含水量

開灤東歡砣煤礦是我國一個較大礦井，水文和地質條件都比較復雜，從煤礦建立到現(xiàn)在，出現(xiàn)過多次嚴重的透水事故，水害防治任務艱巨。直流電法控測技術的應用將會大大的降低開采成本，精確的找到富水區(qū)，根據探測結果及時發(fā)布預警信息，以過早的進行干預，防止水害的發(fā)生。選取一個開采面的是跨北，沖積層煤柱線經上提過（主要是為了減少資源損失），而且這個工作面的正上方和下方沒有開采。此工作面的煤層平均厚度在3.6mm左右，煤層的傾斜角度在20-30度之間。工作面頂板上面有三個煤層為弱水層，對開采不會有極大的影響，但是最接近頂板的一個煤層含水量較多，如果按之前的煤柱線進行開采的話，所產生的裂隙帶高度就會大大的增加，含水量較大的煤層就會影響到頂板，甚至出現(xiàn)透水，而且流量大，一時難以控制。如果在通風道和運輸?shù)辣O(jiān)測到有煤層松軟，巖層破裂產生落差時，很有可能會出現(xiàn)工程塌方，再回采時因為特殊的地質條件就大大增加了大量涌水的可能性。

使用直流電法探測可以及時發(fā)布報告，險情信息，根據信息分析，針對工作面回采的高度和排水系統(tǒng)來進行改造，采取有效的措施，時時監(jiān)控斷層的活動情況，將風險損失降至0最低，保證開采工作的正常進行。

3.2瓦窯砰礦采區(qū)——三極超前探測

此區(qū)在向南石門方向掘進到數(shù)十米時出現(xiàn)了涌水異常現(xiàn)象，根據有關規(guī)定中規(guī)范開采的要求，工程中停止開采，并對周邊的一些小窯的透水量調查和分析。在此區(qū)，用的是三極探測裝置，探測的長度在40m左右。其結果顯示探測區(qū)域內有一處視電阻率非常的低，周邊小窯調查的數(shù)據和地質編錄情況綜合表明此區(qū)域存在水患，其水源是補給水源，即來自于斷層的承壓水。在停止掘進的區(qū)域雖有滲水，但水量變化不大，這一現(xiàn)象又與調查的結果和地質情況相符，也再次說明三極探測技術的準確度，有效的排除了礦井水害中的隱患。三極超前探測在北方的煤礦企業(yè)中用的較多，南方較少，主要是地質構造的差異。

結束語：我國的煤礦企業(yè)較多，但是受水害威脅的煤礦就占了三分之一，一旦發(fā)生突水事故，將會造成嚴重的經濟損失，相對于傳統(tǒng)的探測技術來說，直流電法具有多個優(yōu)點，簡單方便，成本低，探測準確度高，因此成為了國內外大型煤礦企業(yè)作為開采過程中首要采取的水害探測方式。直流電法技術可以精確的探測到頂板的含水量，在礦井水害防治中有著重要的意義，同時也是進一步總結直流電法技術運用中的經驗和規(guī)律。在一些煤礦開采成功的探測到水害的存在，及時的對開采工作作出了調整。雖然存在著技術上的不足，但是作為一個快速的探測技術，其優(yōu)點值得推廣，也需要工程技術人員不斷完善直流電法探測技術，使探測技術水平更加專業(yè)，更加先進。