電法類物探技術(shù)在煤礦工作面突水防治中的應(yīng)用

摘 要：本文分析了適用于煤礦工作面突水防治的幾種電法類物探技術(shù)的基本原理和工作方法。雙巷電法、音頻電透視和無線電波透視技術(shù)對(duì)相對(duì)低阻的含水層和導(dǎo)水通道都有較好的反映。以物探探查結(jié)果為指導(dǎo)，結(jié)合鉆探工程可以有效地進(jìn)行煤礦工作面的突水防治工作。

關(guān)鍵詞：礦井突水；直流電法；音頻電透視；無線電波透視技術(shù)；工作面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.078

0 引言

煤礦水害是僅次于瓦斯災(zāi)害的第二大煤礦災(zāi)害性事故，隨著我國煤礦的開采深度逐年加大，面對(duì)更加復(fù)雜的開采條件，突水、淹井等煤礦水害事故也不斷發(fā)生。礦井突水是由于煤層下伏承壓水或相鄰采空區(qū)的老空積水沖破煤層底板隔水層、防水煤柱的阻隔，以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式進(jìn)入工作面，造成礦井涌水量增加或淹井的地質(zhì)及采動(dòng)影響現(xiàn)象。我國煤礦地質(zhì)條件和開采條件差異很大，松散地層水、砂巖裂隙水、灰?guī)r巖溶水、老空水等都可能成為工作面突水水源之一，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造條件、深部煤層的開采及老空區(qū)的存在進(jìn)一步使得突水防治工作越來越困難[1]。目前，隨著煤礦防治水工作研究的不斷開展，已有多種物探技術(shù)運(yùn)用于煤礦的水害防治，而電法類物探技術(shù)通常對(duì)礦井水的探測效果較靈敏，如礦井工作面雙巷電法、音頻電透視法、無線電波透視探測技術(shù)等。本文對(duì)這些探測技術(shù)在礦井突水中的應(yīng)用進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 礦井突水物探探測的地球物理基礎(chǔ)

礦井突水的兩個(gè)基本條件水是水源和通道。礦井工作面突水事故是由于采動(dòng)影響的頂?shù)装鍘r層變形引起周邊原生裂隙及次生裂隙相互連通，形成導(dǎo)水通道而導(dǎo)通周邊的含水層所致。煤系地層突水的主要含水部位為砂巖和灰?guī)r的含水裂隙區(qū)及充水的老窯區(qū)，而突水的通道主要為裂隙帶、斷層帶和陷落柱等，這些含水部位和導(dǎo)水通道與正常巖層間均表現(xiàn)出顯著的電性差異。電法勘探主要針對(duì)巖層中的電阻率差異常來進(jìn)行探測，含水體及導(dǎo)水通道通常具有顯著的低電阻率特征，而不含水的裂隙帶、斷層帶和陷落柱則表現(xiàn)為顯著的高電阻率特征。因此，適合采用電法類物探技術(shù)來探測可能的含水體和導(dǎo)水通道，從而指導(dǎo)工作面突水的防治工作[2]。

2 礦井工作面水害探查常用物探技術(shù)

2.1 礦井工作面雙巷電法

礦井工作面雙巷電法屬于直流電法[3]，在工作面巷道中進(jìn)行。為減少現(xiàn)場探測時(shí)間，通常采用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀進(jìn)行探測。并行電法通過一次布設(shè)多道電極，在一次供電時(shí)，可以同步采集測線上各電極點(diǎn)電位變化情況，提升工作效率的同時(shí)還削弱了游散電流等干擾因素帶來的影響，進(jìn)而提高了直流電法采集數(shù)據(jù)的信噪比，大大增加了探測的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集方式有AM法和ABM法，可實(shí)現(xiàn)所有直流高密度電法探測（如溫納二極、三極、四極等）數(shù)據(jù)反演。通過將電法測線布置在已掘巷道中煤層的底板或頂板上，以此來觀測不同位置不同標(biāo)高的電位變化情況，再利用雙巷三維電法反演，可以得出工作面底板或頂板范圍內(nèi)的電阻率分布情況，從而實(shí)現(xiàn)在三維空間圈定相對(duì)富水區(qū)。

雙巷電法測線主要沿巷道布置，對(duì)巷道周邊的電性變化特征靈敏，但對(duì)遠(yuǎn)離巷道的富水區(qū)范圍探測精度降低。巷道內(nèi)的金屬管道、金屬設(shè)備對(duì)該方法探測的影響相對(duì)較小，且該方法的探測結(jié)果通?？煽啃暂^高[4]。如圖1所示的是利用雙巷三維并行電法對(duì)皖北煤電某工作面底板灰?guī)r賦水情況探測得到的結(jié)果，共圈定了5個(gè)較強(qiáng)的相對(duì)低阻區(qū)作為富水區(qū)，與鉆孔探放水資料相吻合。針對(duì)這些富水區(qū)進(jìn)行了底板注漿加固工作，封閉了可能的裂隙導(dǎo)水通道，確保了工作面的安全回采。

2.2 音頻電透視法

礦井音頻電透視法以巖石導(dǎo)電性差異及全空間電場分布理論為基礎(chǔ)，向地下人工供入音頻電流，利用穿過采煤工作面由供電點(diǎn)到測量點(diǎn)電流線的電位降數(shù)據(jù)，通過層析成像技術(shù)給出工作面內(nèi)電性變化圖像，可以探查工作面頂?shù)装逡欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的含水異常區(qū)[5]。該法在井下工作時(shí)采用軸向單極-偶極法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即位于采煤工作面一條巷道中布置供電電極A，供電電極B置于無窮遠(yuǎn)處，在對(duì)面巷道中布置測量電極對(duì)（M、N電極）。根據(jù)工作面的寬度，在與供電電極A對(duì)應(yīng)位置兩側(cè)一定范圍內(nèi)布置多個(gè)測量電極對(duì)（M、N電極），采用扇形區(qū)域接收（如圖2所示）。通過對(duì)巷道1內(nèi)所有供電電極重復(fù)測量，確保測區(qū)內(nèi)各單元均被覆蓋，之后交換順序，將供電電極布置于巷道2中，將接收電極布置于巷道1中，按照同樣方式進(jìn)行探測。含水范圍接收的MN電位差曲線通常明顯偏低，這樣可以確定含水區(qū)影響的范圍，通過多點(diǎn)透視電位數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含水異常區(qū)的圈定。這樣的探測方式可以較好地壓制來自探測區(qū)域外的干擾，突出工作面內(nèi)部頂?shù)装逯泻w的影響，提高探測結(jié)果的精確度。

礦井音頻電透視法的優(yōu)點(diǎn)在于采用低頻波建立人工電場，設(shè)定對(duì)應(yīng)的接收頻率，這樣可以更好地避免其它頻率信號(hào)造成的干擾，同時(shí)在井下抗電流干擾能力強(qiáng)，探測距離大。該方法對(duì)范圍較大的低阻區(qū)通常有明顯的反映，特別是對(duì)工作面中部的富水區(qū)反映較好，但是該方法不能很好地區(qū)分富水區(qū)存在于底板還是頂板，因此還需要進(jìn)一步探查驗(yàn)證[6]。

2.3 無線電波坑透技術(shù)

礦井無線電波坑道透視技術(shù)屬于高頻電磁波勘探技術(shù)，主要應(yīng)用于探測煤層內(nèi)陷落柱、斷層、煤層變薄區(qū)等地質(zhì)異常范圍的分布情況。電磁波在煤、巖層中傳播時(shí)，其強(qiáng)度大小由煤巖電性參數(shù)決定[7]。當(dāng)電磁波在穿越工作面煤層的過程中，低阻巖層會(huì)較強(qiáng)地吸收電磁波，若遇到與煤層電性不同的地質(zhì)體如斷層、陷落柱、含水帶、頂板垮塌或其它地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射、反射作用，電磁波能量會(huì)被吸收或完全屏蔽，接收信號(hào)明顯減弱，或者完全接收不到，出現(xiàn)透視異常現(xiàn)象。井下坑透法一般在兩巷道間進(jìn)行，如在回風(fēng)巷布置發(fā)射點(diǎn)，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，利用安置在運(yùn)輸巷的接收機(jī)觀測電磁場場強(qiáng)H信號(hào)。觀測時(shí)通常采用定點(diǎn)法，對(duì)一巷道內(nèi)發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)，在另一巷道設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)行觀測，形成扇形觀測范圍。通過不同發(fā)射點(diǎn)的綜合曲線圖，可以分析地質(zhì)異常變化情況，也可以采用層析成像反演的方法，得到工作面場強(qiáng)平面分布圖和吸收系數(shù)平面分布圖，以此來研究地質(zhì)異常體的平面范圍。

含水陷落柱通常具有顯著的低電阻率值特征，可對(duì)電磁波進(jìn)行強(qiáng)烈地吸收，導(dǎo)致在坑透綜合曲線圖上出現(xiàn)“漏斗型”或“U”字型特征，在吸收系數(shù)圖上表現(xiàn)為顯著的高吸收系數(shù)值。而斷層帶由于斷層產(chǎn)狀、斷距大小及斷層走向長度的不同，以及由于發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)與斷層相對(duì)位置的不同，斷層透視異常曲線的形態(tài)多樣。透視綜合曲線對(duì)斷層的反映一般是衰減系數(shù)η<0dB的低值異常，在吸收系數(shù)圖上表現(xiàn)為較高的吸收系數(shù)值。通常斷層落差越大，η值越小，斷層影響范圍計(jì)算出的煤巖層吸收系數(shù)值越大[8]。

3 電法類物探技術(shù)在煤礦工作面突水防治中的應(yīng)用

對(duì)于可能存在突水的煤礦工作面，井下物探工作通常在工作面貫通以后，煤層回采以前進(jìn)行探測。若煤礦突水的威脅程度較小，通常采用一種物探方法即可；而對(duì)于煤礦突水威脅程度較大的情況，則通常采用二種以上的物探探測方法來進(jìn)行探測。對(duì)于探測出的地質(zhì)異常區(qū)，由于物探結(jié)果存在多解性，并不能作為最終的決策依據(jù)，往往需要結(jié)合鉆探進(jìn)行驗(yàn)證[9]。對(duì)于物探探測出的相對(duì)富水區(qū)，可以采取針對(duì)性的鉆探布置方案，在相對(duì)富水區(qū)內(nèi)適當(dāng)加密探放水鉆孔，而在相對(duì)富水區(qū)外，則可以適當(dāng)減少鉆探工作量，以優(yōu)化鉆孔的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于可疏放水富水區(qū)，往往采用鉆孔疏放水的方法針對(duì)富水區(qū)范圍放水以消除突水來源；對(duì)于無法進(jìn)行疏放水的富水區(qū)，往往采用注漿加固的方法來封閉斷層、裂隙或陷落柱等導(dǎo)水通道，從而增加隔水層厚度，以達(dá)到防治水安全規(guī)定要求[10]。

4 結(jié)論

（1）煤礦工作面突水的充水水源區(qū)和導(dǎo)水通道與圍巖具有顯著的電性差異，適宜于采用電法類物探技術(shù)進(jìn)行探測。

（2）工作面雙巷電法、音頻電透視和無線電波透視技術(shù)是煤礦工作面突水預(yù)防的有效探查手段，結(jié)合鉆探工程，可以有效地消除突水隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1]武強(qiáng).我國礦井水防控與資源化利用的研究進(jìn)展、問題和展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（5）：795-805.

[2]劉志新，岳建華，劉仰光.礦井物探技術(shù)在突水預(yù)測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4（01）：9-14.

[3]吳超凡，邱占林，楊勝倫等.網(wǎng)絡(luò)并行電法與傳統(tǒng)電法超前探測效果對(duì)比[J].物探與化探，2015，39（01）：136-140.

[4]吳榮新，劉盛東，張平松.雙巷并行三維電法探測煤層工作面底板富水區(qū)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（03）：454-457.

[5]付茂如，張平松，王大設(shè)等.礦井工作面底板水害綜合探查技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（02）：92-95.

[6]程久龍，李飛，彭蘇萍等.礦井巷道地球物理方法超前探測研究進(jìn)展與展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（08）：1742-1750.

[7]鄭俊軍.礦井無線電波坑道透視探測技術(shù)應(yīng)用探討[J]. 煤炭與化工，2015，38（01）：21-23.

[8]吳榮新，肖玉林，張平松.坑透和并行電法探查大面寬綜采工作面地質(zhì)異常探討[J].中國煤炭地質(zhì)，2013，25（04）：63-67.

[9]劉盛東，劉靜，岳建華.中國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（01）：19-25.

[10] 呂兆海，周建軍，張俠等.綜合物探技術(shù)在煤礦水害防治中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2014，35（06）：37-41.

作者簡介：周小龍（1989-），男，安徽黃山人，碩士研究生，研究方向：工程與環(huán)境地球物理勘探。