煤礦工作面底板灰?guī)r注漿改造檢測方法研究

■王艷波　王　程（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司陜西西安710077）

煤礦工作面底板灰?guī)r注漿改造檢測方法研究

■王艷波王程
（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司陜西西安710077）

本文通過對一種工作面底板灰?guī)r注漿改造效果檢測方法-音頻電透視方法的介紹，說明在受灰?guī)r水威脅的礦區(qū)，音頻電透視法是一種便捷有效的探測方法，通過實例介紹音頻電透視法在工作面富水性探測以及在注漿檢測方面的應(yīng)用效果，實踐證明礦井音頻電透視技術(shù)是可用于工作面灰?guī)r底板注漿改造檢測的有效物探方法。

音頻電透視注漿改造檢測方法

深部煤層開采的最大威脅來自煤層底板的灰?guī)r水，采煤工作面底板巖層中隱伏的構(gòu)造如張性裂隙、陷落柱等，常是地下水的富集區(qū)或成為地下承壓水的通道，工作面回采造成的擾動一旦波及這些隱伏含、導(dǎo)水構(gòu)造常會造成工作面涌水量增大，嚴(yán)重時發(fā)生突水事故，給礦工生命和企業(yè)財產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失[1]，如何查明底板內(nèi)隱伏含、導(dǎo)水構(gòu)造，提前做好防治措施，是礦井水文地質(zhì)工作者多年來不斷探索的目標(biāo)。大量實踐經(jīng)驗表明，采用音頻電透視法探查深部煤層底板的巖溶富水性，加強(qiáng)底板巖溶突水規(guī)律的研究，對安全合理地開采煤炭資源，具有重要的理論和實踐意義。

1　灰?guī)r裂隙的電性特征

巖層與巖層之間、巖層與煤層之間的電阻率差異是在煤礦井下巷道中開展直流電法的物性前提[2]。煤系地層縱向電阻率的變化規(guī)律基本一致；橫向上由于煤系地層的層狀分布，其導(dǎo)電性相對均一。含水體的導(dǎo)電性好，與圍巖會有明顯的電性差異[3]，可以通過專門的儀器測量和分析巷道或采場附近穩(wěn)定電流場的分布變化規(guī)律來研究礦井地質(zhì)問題[4,5]。音頻電透視工作面探測所涉及的巖性主要為灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、泥巖、中粒砂巖。當(dāng)均勻地層中存在含水區(qū)時，其低電性值在探測到的視電阻率中反映明顯，等值線會發(fā)生有規(guī)律的變形、圈閉等現(xiàn)象，這對于正確解釋實測電阻率資料具有重要意義。

2　音頻電透視法原理簡介

礦井音頻電透視法以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)[6]，利用穿過回采工作面的電流線（由供電點(diǎn)到測量點(diǎn)）電位降數(shù)據(jù)，采用層析成像技術(shù)來重建回采工作面內(nèi)電性變化圖像，從而確定工作面內(nèi)底板巖層電性分布規(guī)律。根據(jù)點(diǎn)電源產(chǎn)生的電場分布特征，可以求出全空間層狀地層模型內(nèi)任意點(diǎn)的電位表達(dá)式為：

對于井下局部地質(zhì)體的附加場，可用導(dǎo)電球來說明，即電流場中導(dǎo)體的異?？梢越频乜醋麟娕紭O子異常，其表達(dá)式為：

在直角坐標(biāo)系中，偶極場的電位分布關(guān)系式為：

圖1為底板下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。

圖1　工作面底板低阻異常體探測曲線

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。

音頻電透視采用單極（供電）—偶極（接收）裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖2所示，即供電極位于工作面某一側(cè)巷道內(nèi)，接地電極布置在無窮遠(yuǎn)；測量電極對（M、N極）位于工作面另一巷道內(nèi)，在與供電極對應(yīng)位置兩側(cè)一定范圍內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行扇形接收；在兩個巷道內(nèi)同時作業(yè)，依次用供電極A1、A2、…….發(fā)射不同頻率的電流，移動測量電極M、N，對工作面進(jìn)行以發(fā)射點(diǎn)為中心的扇形掃描，達(dá)到探測工作面平面的目的。

圖2　音頻電透視工作方法

3　音頻電透視的解釋方法

音頻電透視資料解釋與處理，采用電位測量來確定電導(dǎo)率的變化“首先將觀測區(qū)域劃分為若干個地電單元”根據(jù)點(diǎn)電源電場分布理論，利用數(shù)學(xué)方法，可以正演計算出地電模型每個地電單元在理論上的電位及相應(yīng)的電導(dǎo)率值，同樣根據(jù)實測的電位差可以反算各地電單元的電導(dǎo)率，考察每個地電單元的視電導(dǎo)率偏差，用平面圖表現(xiàn)出來，即可推斷解釋含水構(gòu)造及富水區(qū)的各種信息。解釋工作在分析異常特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平面曲線類比，結(jié)合鉆孔、地面調(diào)查等資料進(jìn)行綜合對比分析，從已知到未知，由點(diǎn)到線再到面的原則，進(jìn)行綜合對比解釋。

4　應(yīng)用實例

某礦1101工作面為該礦11#煤層的首采工作面，煤層底板距離奧灰20m左右，如果有裂隙導(dǎo)通奧陶系灰?guī)r含水層將會對工作面或煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大威脅，因此礦方在工作面回采前采用此技術(shù)進(jìn)行尋找鉆探靶區(qū)以及注漿后注漿檢測工作。探測工作分兩部分，第一階段，通過探測為井下探放水及注漿工作提供靶區(qū)；第二階段，通過對注漿后的工作面底板進(jìn)行二次探測，和第一次探測結(jié)果對比達(dá)到對工作面底板注漿改造工作檢測的目的。

4.1初次物探結(jié)果以及鉆孔驗證情況

圖3是某礦1101工作面音頻電透視探測成果分析圖，其中有3處高電導(dǎo)率異常區(qū)，分別定義為1~3號異常，其中縱坐標(biāo)為巷道切眼深度，橫坐標(biāo)為工作面巷道位置。在音頻電透視施工完成后，礦方根據(jù)音頻電透視異常位置布置鉆孔，共布設(shè)鉆孔21個，部分鉆孔位置及出水情況如圖3和表3所示，其中1號異常區(qū)和2號異常區(qū)在進(jìn)行鉆孔驗證的過程中多個鉆孔出水較多，出水量較大。

通過鉆孔驗證表可以看出，在音頻電透視異常圖上圈定的物探異常通過鉆探驗證基本上都有出水現(xiàn)象存在，而在物探異常區(qū)未圈定區(qū)域也布設(shè)了一定量的鉆孔（補(bǔ)2#孔），但并未有出水現(xiàn)象出現(xiàn)。說明音頻電透視資料較好的反應(yīng)了煤層底板含賦水情況。

4.2底板注漿利用音頻電透視檢測效果分析

在1101工作面注漿改造完成后，利用音頻電透視技術(shù)又對該工作面的注漿效果進(jìn)行了檢測，圖4為音頻電透視注漿檢測效果圖。

如圖3所示，1101工作面進(jìn)行的音頻電透視注漿檢測成果圖中該工作面僅有一個主要異常區(qū)存在，命名為1號異常，1號異常和注漿前探測成果中的3號異常位置對應(yīng)，異常成條帶狀分布，異常的范圍較小，幅值在運(yùn)輸順槽一側(cè)較強(qiáng)。在音頻電透視探測成果圖中的1、2號異常區(qū)由于注漿治理，異常范圍和異常幅值已明顯減弱。在注漿前、后地層電導(dǎo)率特征參數(shù)統(tǒng)計對比如表2所示（表中電導(dǎo)率值越大說明煤層底板導(dǎo)水情況越好）。

通過對兩次探測資料和注漿前、后異常特征參數(shù)分析認(rèn)為，在注漿后整個工作面的視電導(dǎo)率值明顯降低，說明注漿后工作面的導(dǎo)水性變差，隔水性變好。在音頻電透視探測成果圖中的1、2號異常區(qū)由于注漿治理，異常范圍和異常幅值已明顯減弱，說明注漿后，該層段賦水性有明顯減弱。3號異常雖然依然存在但異常范圍和幅值也已明顯減弱。后通過鉆孔及回采資料驗證，1號異常在回采時煤層頂板有小范圍的滴淋水現(xiàn)象出現(xiàn)，分析認(rèn)為該異常為頂板砂巖相對賦水區(qū)，通過初步治理后工作面已實現(xiàn)順利回采。

圖3　工作面底板探測后部分打鉆及注漿分布圖

表1　部分鉆孔泄水情況統(tǒng)計表

圖4　工作面底板下40m范圍內(nèi)注漿檢測低阻異常分布圖

表2　注漿前、后異常特征參數(shù)統(tǒng)計表

5　結(jié)語

（1）礦井音頻電透視技術(shù)用于工作面水文地質(zhì)條件探查，可有效地預(yù)測工作面底板下的含水異常體，提高了工作面開采的安全性。

（2）音頻電透視技術(shù)是一種較好的工作面底板注漿效果檢測技術(shù)，通過對工作面注漿前后資料進(jìn)行對比分析，可以為工作面的安全順利回采提供參考資料。

（3）單一利用一種手段在煤礦井下進(jìn)行防治水工作可能會存在漏洞，結(jié)合鉆探資料對物探資料進(jìn)行異常可靠性評價會對工作面防治水工作產(chǎn)生更好的應(yīng)用效果。

[1]張軍,王勇,秦鴻剛,等.礦井音頻電透視在礦井工作面探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報.2013,（04）:551-554.

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[3]王素貞.高分辨直流電法在礦井水文地質(zhì)探測中的應(yīng)用[J].江西煤炭科技.2005,（03）:17-18.

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X752[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-209-2

王艷波（1981～），男，碩士研究生，工程師，研究方向為電磁法勘探技術(shù)。