高家莊煤礦回風(fēng)大巷水害探測技術(shù)

劉超林，李 軍，郭英杰

（1.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局 信息研究院，北京 100029；2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022；3.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

水害是嚴重影響礦井正常安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，在煤礦井巷掘進過程中，為了避免水害事故的發(fā)生，采取相應(yīng)的技術(shù)措施探測一定范圍內(nèi)的積水分布情況，對于井巷安全掘進和礦井防治水具有重大意義[1]。目前，在水害探測中，常用的物探方法主要有瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、高密度電法和EH4大地電磁法等[2-5]。其中瞬變電磁法屬于時間域電磁法，該方法在有其他干擾源的情況下，探測精度會受到影響；可控源音頻大地電磁法屬于頻率域電磁法，由于存在靜態(tài)效應(yīng)、遠近場區(qū)效應(yīng)等問題，造成在某些地質(zhì)環(huán)境下分辨率下降；高密度電法是一種陣列勘探方法，只能用于探測深度小于100 m的區(qū)域，使得使用受到一定限制；EH4大地電磁法屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)，通過電導(dǎo)率成像技術(shù)，能夠直觀地反映異常區(qū)域在剖面的形態(tài)、規(guī)模等，被廣泛應(yīng)用于隱伏構(gòu)造定位預(yù)測[6]、構(gòu)造定位及導(dǎo)水探測[7-8]、采空區(qū)探測[9-12]等。采用EH4大地電磁測深法探測了高家莊煤礦回風(fēng)大巷及周圍區(qū)域的富水狀況，并預(yù)測了可能存在的不良隱伏地質(zhì)構(gòu)造，預(yù)防了掘進過程突發(fā)水害事故。

1 地質(zhì)概況

1.1 礦井及勘探區(qū)地質(zhì)概況

高家莊煤礦位于河?xùn)|煤田中段，可開采煤層2#、4#、8#、9#+10#，目前開采 2#煤層，2#煤賦存于山西組中部，礦井開采標高+515 m?；仫L(fēng)大巷位于2#煤層當(dāng)中，沿2#煤層底板掘進施工，煤層厚度0～1.7 m，平均1.03 m，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層直接頂板為中細粒砂巖或泥巖，厚度4.5～8.30 m，局部裂隙發(fā)育，屬中等堅硬頂板；底板為灰黑色泥巖或中細砂巖，厚度5.50 m，質(zhì)散。該礦井田范圍內(nèi)均為黃土覆蓋。根據(jù)井田內(nèi)勘探鉆孔揭露情況，含水地層由老到新：奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組層間砂巖裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層。煤層底板中僅有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層對煤層開采存在威脅。

1.2 地層電性特征

通過對礦區(qū)已知資料的綜合分析，一般把巖層含水性與電阻率的對應(yīng)關(guān)系分為5個級別（表1）。

表1 地層含水性與電阻率一覽表

2 EH4大地電磁法原理

2.1 工作原理

EH4電磁成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)，將大地看作水平介質(zhì)，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測到相互正交的電磁場分量為Ex，Hy。通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質(zhì)的電阻率值，其計算公式為：

式中：f為頻率，Hz；ρ為視電阻率，Ω·m；Ex為 x向的電場強度，V/m；Hy為y向的磁場強度，A/m。

探測深度δ理論上為1個屈服深度，公式為：

式（2）表明，電磁波的透入深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。

2.2 解釋原則

由于此次物探以電法電導(dǎo)率連續(xù)剖面測量為主，因此解釋原則主要從地層的電性特征討論：

1）第四系巖性一般由砂、亞砂土及不同程度的礫石組成，在電性上表現(xiàn)為低電阻率特征，電阻率一般小于 20 Ω·m。

2）煤系地層電阻率一般為40至幾百Ω·m，而灰?guī)r電阻率較高，一般為幾百到幾千Ω·m。當(dāng)砂巖或灰?guī)r中含水時，電阻率將低于正常巖層的電阻率，其降低的程度視與含水量大小有關(guān)。

3）在斷層發(fā)育區(qū)，斷層破碎帶與正常連續(xù)地層在電性上具有明顯差異，當(dāng)斷層破碎帶不含水時，將呈現(xiàn)出高電阻率特征，而當(dāng)斷層破碎帶含水時，將呈現(xiàn)出低電阻率特征。

據(jù)此，通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水狀況，這也是本次電法探測的物理前提。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及解釋

3.1 施工工作布置

本次EH4大地電磁法探測施工區(qū)域位于回風(fēng)大巷掘進迎頭對應(yīng)地表區(qū)域：迎頭前方約150 m，后方約100 m，左側(cè)約100 m，右側(cè)約100 m，設(shè)計總探測面積為53 457 m2。測網(wǎng)布置為20 m×10 m，即線距20 m，點距10 m；根據(jù)測網(wǎng)密度設(shè)置11條測線，每條測線長度為250 m，共286個測點。測線布置圖如圖1。

圖1 采掘工程平面與測點布置對照圖

3.2 使用參數(shù)設(shè)置

本次探測利用EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀，為確保探測成果質(zhì)量符合物探規(guī)程不大于5%的要求，按常規(guī)電法統(tǒng)計重復(fù)測量誤差的方法對EH4部分測點進行了重復(fù)測量。采集參數(shù)如下：①測量頻帶：1 Hz～10 kHz（天然）；1 000 Hz～92 kHz（天然）；②數(shù)據(jù)迭加次數(shù)：16～20次；③濾波檔選擇：50 Hz陷波；④增益選擇：根據(jù)電磁場信號的實際強度在1～80 dB范圍內(nèi)靈活選擇；⑤電極距選擇：20 m。

3.3 采集數(shù)據(jù)處理

本次勘探采用EH4專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)IMAGEM和EMAGE2D進行處理。首先利用EMAGE2D軟件對原始采集的資料進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括干擾點的剔除、靜態(tài)校正；然后采用IMAGEM二維反演成像或RRI反演成像，對視電阻率剖面頻率軸進行深度標定，形成反演電阻率隨深度數(shù)據(jù)文件，繪制電阻率剖面圖。

3.4 代表性探測剖面成果解釋

通過對測區(qū)具有代表性的EH4測線勘探資料綜合處理，根據(jù)地層電性特征，形成了測線的反演視電阻率色譜剖面圖。對每一剖面進行地質(zhì)解釋，從而圈定了回風(fēng)大巷及附近的富水異常范圍。

3.4.1 測線縱向剖面視電阻率變化規(guī)律

測線D2、D8、D3、D7的視電阻率剖面圖（橫軸東向為正值，坐標范圍0～250 m；縱軸為水平標高，坐標范圍0～1 150 m）如圖2～圖5。電阻率值由低到高由不同的顏色來表示，藍色表示低阻，粉紅色表示高阻。

圖2 測線2視電阻率色譜剖面圖

由圖2～圖5可知：

1）測線 2標高 1 000～900 m、測線 8標高 960～900 m均呈現(xiàn)出煤系地層的正常電性特征。在上下兩側(cè)呈現(xiàn)地層視電阻率呈現(xiàn)較低的特征，為地層富含水的電性特征。

2）測線 3 標高 1 000～900 m、橫向 30～120 m處，視電阻率呈現(xiàn)低阻特性，推斷含水地層為導(dǎo)水通道，砂巖水與奧陶系含水層可能通過該通道存在水力聯(lián)系。

3）測線 7標高 980～900 m、橫向 100～200 m 處，視電阻率呈現(xiàn)異常，主要為存在低阻特性的水力聯(lián)系的導(dǎo)通構(gòu)造，在煤層下方又存在明顯的高阻特性，推斷存在某種地質(zhì)構(gòu)造溝通上下巖層。

圖3 測線8視電阻率色譜剖面圖

圖4 測線3視電阻率色譜剖面圖

3.4.2 水平切面視電阻率變化規(guī)律

標高900、920、950 m的水平切片圖如圖 6～圖8。橫軸東向為正（與回風(fēng)大巷掘進方向同向），縱軸向北為正值。

由圖6可以看到，1處明顯的低阻異常。異常區(qū)域異常的范圍大致在橫向120～230 m之間，縱向140～200 m之間。此外該區(qū)域存在大面積的低阻（小于15 Ω·m），如圖黑色圈定區(qū)域，含水性較強，推斷為奧灰水較為發(fā)育。

圖7為回風(fēng)大巷所處水平的切面，存在3處低阻異常。異常1推斷由巷道充水所致；異常2區(qū)域推斷為導(dǎo)水?dāng)嗔褞?；異?區(qū)域含水性較強，與900 m標高的強異常位置對應(yīng)，推斷在此處上下有連通的可能。

圖5 測線7視電阻率色譜剖面圖

圖6 900 m水平切片視電阻率成像圖

圖7 920 m水平切片視電阻率成像圖

圖8 950 m水平切片視電阻率成像圖

圖8 存在1處低阻異常。處于橫坐標25～200 m、縱坐標20～150 m，推斷為不良地質(zhì)構(gòu)造通道煤層頂?shù)装搴畬铀拢以摱谓咏皫r含水層。

由圖6～圖8可以得知，煤層上下兩切面的積水異常區(qū)域面積較大，而煤層所在水平切面異常區(qū)域分散且數(shù)量多。由此說明該區(qū)域存在疑似陷落柱類型的地質(zhì)構(gòu)造溝通上下含水層。通過鉆孔勘探取芯，證明該地質(zhì)構(gòu)造確為陷落柱。

3.5 積水區(qū)域的圈定

通過采用EH4大地電磁法進行勘探后，根據(jù)得出的探測剖面成果，推測積水區(qū)域為：南北向D3～D7測線、東西向20～220 m測點、標高950～900 m所圈定的范圍，可得出積水區(qū)的范圍。另外通過現(xiàn)場探水鉆孔的實際探測，積水區(qū)范圍與上述所圈定的積水區(qū)域基本相吻合，可看出EH4在煤礦巷道掘進積水區(qū)域勘探中的應(yīng)用可靠、有效。

4 結(jié)論

1）通過采用EH4大地電磁法對回風(fēng)大巷迎頭進行勘探，根據(jù)地層電性異常特征及地質(zhì)資料，預(yù)測了積水區(qū)域的大體形態(tài)。并通過與鉆探工程的對比分析，表明EH4大地電磁法在水害勘探中的應(yīng)用是十分可靠、有效的。

2）通過綜合分析各測線及水平切面的視電阻率圖，并根據(jù)含水異常區(qū)在視電阻率圖上表現(xiàn)為電阻率低的特點，即低阻異常區(qū)，最終圈定了巷道施工迎頭的積水分布范圍。

3）通過探測并結(jié)合煤系含水地層的特點，從而推測巷道施工中涌水是由于構(gòu)造的存在而導(dǎo)通奧灰含水層所致，由此為采取合理的防治水方案提供了理論基礎(chǔ)。