直流電法超前探測煤礦巷道前方高阻體

李雄偉

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

關(guān)健詞：直流電法；探測；煤礦；巷道；高阻

直流電法是研究與地質(zhì)體有關(guān)的直流電場的分布特點(diǎn)和規(guī)律，進(jìn)行找礦和解決某些地質(zhì)問題的方法，其利用點(diǎn)電源場的球殼原理，基于巖石礦石的電性差異完成探測。直流電法超前探常被用于探測煤礦井下巷道掘進(jìn)前方的低阻異常體，如含富水的巷道、破碎帶、陷落柱等等地質(zhì)構(gòu)造[1]。這些隱伏地質(zhì)體含富水或積水時，與圍巖電性差異明顯，容易被探測，但是當(dāng)不含富水或不積水的時候，則不易被探測，此時仍然影響大型綜采煤礦的掘進(jìn)及工作面布置，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)[2-4]。比如不積水的采空老巷道，其是瓦斯的聚集場所，規(guī)模小而不易被定位探測，則易在掘進(jìn)階段引發(fā)瓦斯突出[5]。實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的探測掘進(jìn)巷道迎頭前方的隱伏危險源，對于保障生產(chǎn)安全意義重大。文章采用理論方法較成熟的直流電法超前探測技術(shù)[6-7]，運(yùn)用消除了地層層狀空間影響和各向異性影響的資料處理方法，在生產(chǎn)礦井中對煤礦掘進(jìn)迎頭前方已知空巷道進(jìn)行了試驗(yàn)探測，準(zhǔn)確的探測出了空巷道的位置。

1 直流電法超前探測

在地下均勻空間內(nèi)，如圖1 所示，采用三個供電電極A1、A2和A3、一個無窮遠(yuǎn)電極B、兩個接收電極M 和N 的六電極系裝置，在掘進(jìn)巷道的迎頭附近等間距布置施工[8]。供電電極依次向地下供入人工加載的直流電，建立地下以供電電極為球心的點(diǎn)電源球狀電場，電流線以供電電極為球心往外延伸，形成的等電位面也均是以供電電極為球心的球殼面，該球殼面的特點(diǎn)是在同一個球面上的任意一點(diǎn)的電位相同，在巷道后方以固定間距的方式布置接收電極，單接收電極測量的電位為：

圖1 直流電法超前探測工作布置及原理圖

2 資料處理關(guān)鍵技術(shù)

如上圖1 中所示，由三個供電電極分別供電，測量電極MN依次向后移動測量獲得3 條電位曲線，由視電阻率計算公式可計算對應(yīng)視電阻率值，從而獲得對應(yīng)視電阻率曲線。根據(jù)地層電性分布規(guī)律及層狀空間的電性特征，進(jìn)行誤差分析，并采用擬合的方法，擬合獲得一條新視電阻率曲線，做為模析曲線 ρsm，再將實(shí)測曲線與模析曲線進(jìn)行歸一化，可得到歸一化解釋曲線，曲線上對應(yīng)點(diǎn)的用于解釋地質(zhì)信息的視電阻率值表示為Exp(x,i)，即

式中，下角s、m 分別代表實(shí)測和模析，i=1、2、3 表示三條曲線；x=1、2、3、…、n 表示測點(diǎn)。如此處理，即可達(dá)到消除地層層狀空間的影響以及各向異性的影響。統(tǒng)計用于解釋地質(zhì)信息的視電阻率數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)合實(shí)際地電特征、測井或已知地質(zhì)構(gòu)造體的電性規(guī)律，確定探測中的異常閥值M。當(dāng)無異常體存在時，異常閥值與用于解釋的視電阻率值相同，即Exp(x,i)=M；若有異常，則Exp(x, i)≠M(fèi)，此時將Exp(x, i) ＞M的值或區(qū)域定為高阻異常值或區(qū)域。

3 試驗(yàn)探測

3.1 探測區(qū)域概述

直流電法超前探測空巷道的試驗(yàn)工作，選擇在王家?guī)X煤礦已在掘進(jìn)的回風(fēng)大巷迎頭實(shí)施，與該巷道相距約30m 的平行巷道為運(yùn)輸大巷，運(yùn)輸大巷掘進(jìn)較快，前方P11 導(dǎo)線點(diǎn)處的聯(lián)絡(luò)行已掘通，且在回風(fēng)大巷內(nèi)掘進(jìn)寬度為8m，距離回風(fēng)大巷掘進(jìn)迎頭約22m，內(nèi)無雜物，更無積水，屬典型的空巷道，巷道寬度約4m、高度約4m（如圖2 所示）。

圖2 試驗(yàn)探測區(qū)示意圖

3.2 地球物理特征

探測施工場所的目標(biāo)煤層位于二疊系山西組煤層，此處煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度約4m，厚度變化不大，屬層狀穩(wěn)定賦存的可采煤層，電性值較高，屬高阻煤層；煤層頂析和底析巖性均為泥巖偶見粉砂巖或泥質(zhì)砂巖，與煤層相比其為相對低阻層。據(jù)此可知，煤層附近地層電性主要為上下相對低阻層中加一穩(wěn)定的高阻煤層，煤層內(nèi)的空巷道為一近絕緣的極高阻體，故此空巷道與圍巖直接存在明顯的電性差異，利于直流電法超前探測。

3.3 超前探測結(jié)果

在中央回風(fēng)大巷掘進(jìn)迎頭后方施工，第一個供電電極距離迎頭14m，接收電極以固定的極距在遠(yuǎn)離迎頭的一側(cè)逐步跑極進(jìn)行電位差數(shù)據(jù)采集。施工過程中共布置供電電極3 個，采電位差數(shù)據(jù)3 組。經(jīng)采用前述資料處理方法，獲得經(jīng)歸一化后的各點(diǎn)的解釋視電阻率值Exp(x, i) (i=1、2、3)，并形成處理后的視電阻率曲線。采用擬合歸一的方法對3 條解釋曲線進(jìn)行處理，并結(jié)合地層電性可獲得一條可用于推斷解釋的最終曲線，這里亦用Exp表示（如圖3（a）所示）。

對處理后的視電阻率曲線中對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計，可得均值為9.99，標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.99。根據(jù)前述地球物理特征的分析，已知目標(biāo)體（空巷道）的實(shí)際位置及其極高阻的電性特征，確定異常閾值M為1（均值減去標(biāo)準(zhǔn)偏差）。由圖3（a）中曲線所示，在橫坐標(biāo)21～31m 范圍內(nèi)的Exp＞1，解釋為高阻異常，其他位置的Exp均小于1。繪制沿巷道迎頭向前的斷面圖如圖3（b）所示，圖中不規(guī)則線條為視電阻率等值線，有深顏色填充的區(qū)域?yàn)楦咦璁惓^(qū)。由圖3（b）可見高阻異常反應(yīng)明顯，橫向上與迎頭的距離位于21～31m 之間，與圖2 中迎頭與空巷道的位置22～30m 的范圍吻合較好，驗(yàn)證了直流電法超前探測高阻異常體的有效性。

圖3 直流電法超前探測結(jié)果

4 結(jié)語

煤礦井下用于超前探測的物探方法比較多，也多具有針對性，采用常用于探測低阻地質(zhì)體（含水）的直流電法超前探測技術(shù)探測高阻體，并在處理和解釋方法上做一改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對高阻體的準(zhǔn)確定位探測。該實(shí)驗(yàn)探測的成功，對于其它受老窯巷道威脅的煤礦具有借鑒和指導(dǎo)意義，也可將該探測方法作為煤礦采空區(qū)、老空巷道等隱伏危險地質(zhì)體的常規(guī)探測方法長期使用。