煤礦防治水中直流電測(cè)深法的應(yīng)用

郭曉明

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四通煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

隨著煤炭資源開采力度的持續(xù)增加，開采效率也在持續(xù)提高，礦井水害事故的發(fā)生幾率不斷提高，逐漸成為煤礦主要的開采事故。由于水害事故，導(dǎo)致國(guó)家每年都會(huì)有大量的財(cái)產(chǎn)損失。礦井防治水作為煤礦生產(chǎn)和科研技術(shù)難點(diǎn)，備受大量學(xué)者、研究人員與礦井工作施工人員的重視，而逐漸成為礦井災(zāi)害治理的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。本文將直流電測(cè)深法應(yīng)用到煤礦防治水中，具有較高的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的可靠性。

1 直流電測(cè)深法的原理

直流電法為電法勘探的電阻率法，其是基于巖石電性差異，因不同巖性物質(zhì)具有不同的電阻率，以此有效推斷測(cè)線斷面巖層富水性。直流電法能夠利用程控式多路電極轉(zhuǎn)換器，對(duì)不同電極組合方式與極距間隔進(jìn)行選擇，利用供電電極對(duì)地下供直流電流，并且在對(duì)電極間觀測(cè)電勢(shì)差進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算視電阻率，各個(gè)電極不同時(shí)或者同時(shí)根據(jù)選定的測(cè)線，根據(jù)規(guī)定電距間隔移動(dòng)，預(yù)先設(shè)置電極，自動(dòng)切換儀器，快速收集野外數(shù)據(jù)，圖1為微機(jī)控制多電極采集數(shù)據(jù)。

地面直流電法主要是利用數(shù)據(jù)收集與處理實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集部分都是在野外完成，地面直流電法的工作就是數(shù)據(jù)處理，此部分工作較為復(fù)雜，在視電阻率圖分析過程中要根據(jù)地質(zhì)工作和對(duì)于礦山水文地質(zhì)情況全面的掌握而進(jìn)行[2]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程背景

某煤礦31254工作面采煤層為13號(hào)煤層，設(shè)置奧灰含水層的間距為78 m，設(shè)置下距離徐灰含水層的間距為35 m，徐灰水、奧灰水對(duì)采煤工作造成了威脅，為了有效保證工作面的安全性，實(shí)現(xiàn)煤層的順利開采，對(duì)工作面底板地層富水性進(jìn)行采前探測(cè)。最大的探測(cè)深度為底板下200 m，創(chuàng)建底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體，利用切片技術(shù)對(duì)奧灰地層與徐灰底層的富水區(qū)域進(jìn)行圈定，便于鉆探施工，對(duì)開采方向精準(zhǔn)性確定[3]。

圖1 微機(jī)控制多電極采集數(shù)據(jù)

此采面煤層為3.66 m，煤層傾角為24°～28°。工作面頂煤5-煤8為弱含水層，不會(huì)影響到采面，但是上方煤5頂板為強(qiáng)含水層，假如根據(jù)采面在老沖積層煤柱線下部分采全面高進(jìn)行計(jì)算，裂隙帶高度會(huì)比煤5-煤8層間距要大，和下采面突水情況結(jié)合進(jìn)行分析，雖然此區(qū)域煤5頂強(qiáng)含水層有效的疏降，但是因?yàn)榇藚^(qū)域含水層含水和流動(dòng)并不一致，對(duì)含水層水順層下泄造成了影響，導(dǎo)致煤5含水層具備局部富含水層。此面和沖積層的距離比較近，沖積層的水會(huì)滲透補(bǔ)給到煤5頂強(qiáng)含水層中，并且速度比較快且充足。以風(fēng)道、運(yùn)道的實(shí)測(cè)資料，風(fēng)、運(yùn)道一共揭露了7條正斷層，以f138斷層在風(fēng)、運(yùn)道掘進(jìn)過程中都揭露。除了斷層導(dǎo)致斷層帶附近巷道煤層松軟，圍巖破碎之外，風(fēng)道在往北360 m～380 m范圍連續(xù)揭露4條落差為0.2 m～0.65 m的斷層會(huì)影響到巷道施工。所以，此采面回采過程中，受到以上水文地質(zhì)條件影響，會(huì)導(dǎo)致采面涌水的情況出現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)收集

由于企業(yè)地測(cè)科要求具有較大的探測(cè)深度，而且每個(gè)深度都能夠構(gòu)成細(xì)致、寬廣的剖面，充分考慮礦區(qū)工作面地質(zhì)巖石層狀的穩(wěn)定性，要求具有適當(dāng)?shù)臏囟?，利用二?jí)裝置。其探測(cè)幅度和三級(jí)裝置對(duì)比更深更廣，并且在分析空間異常體方面更加精準(zhǔn)。此實(shí)驗(yàn)礦井利用AM點(diǎn)陣進(jìn)行排列，以平面實(shí)現(xiàn)A與M兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)電纜移動(dòng)的設(shè)置，包括供電、測(cè)量的電極。另外，其中還具有A與M的跑動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，N與B電極設(shè)置在無(wú)窮遠(yuǎn)處，無(wú)窮遠(yuǎn)N電極在探測(cè)裝置31～60電機(jī)一側(cè)中放置，無(wú)窮遠(yuǎn)B電極在探測(cè)裝置1～30電機(jī)中設(shè)置。

起始點(diǎn)為多功能數(shù)字直流激電儀與多路電極轉(zhuǎn)換器，通過電源能夠在地下實(shí)現(xiàn)電流的輸入，10 m間隔電極貼近于測(cè)量面墻壁，能夠切換位置，從而切換地底的反饋信息，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)正常進(jìn)行保證，人為地錯(cuò)開通電區(qū)和積水區(qū)，在1∶100 0比例尺地質(zhì)圖中實(shí)現(xiàn)切眼順槽的標(biāo)記，方便在處理后期數(shù)據(jù)中的方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)接首位，實(shí)現(xiàn)立體三維直觀模型的創(chuàng)建[4]。

2.3 確定突水系數(shù)

根據(jù)精查地質(zhì)報(bào)告與實(shí)際揭露的資料，唐口井田3煤層頂板以上具備多層黏土隔水層，能夠阻隔上覆含水層對(duì)于3煤層頂板砂巖的含水層補(bǔ)給，砂巖水的補(bǔ)給條件不良。在巷道掘進(jìn)過程中，揭露頂板含水層初始水量在每小時(shí)5 m3以下，并且在生產(chǎn)各出水點(diǎn)水量不斷降低。目前已經(jīng)施工31個(gè)探頂板砂巖水鉆孔，充分疏放頂板砂巖水，嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)。井田在精查勘探過程中的三灰含水層水位在+28 m左右，并且一共有62個(gè)施工底板三灰孔，各個(gè)生產(chǎn)采區(qū)三灰的最大壓力為9.5 MPa。以《煤礦防治水的規(guī)定》，突水系數(shù)T設(shè)置為0.133 MPa/m。以當(dāng)?shù)孛禾镏苓叺V區(qū)的實(shí)際資料和《煤礦防治水規(guī)定》需求，底板受到構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)在0.06 MPa/m，正常塊段在0.1 MPa/m以下，也就是T<0.06 MPa/m是安全的。0.06 MPa/m～0.1 MPa/m就要使用探放水措施；T>0.1 MPa/m時(shí)要根據(jù)專門防治水工程設(shè)計(jì)的方式，并且上報(bào)給主管部門進(jìn)行審批。在工作面回采之前要使用電法探測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)探放水，評(píng)價(jià)工作面水害的安全性，采區(qū)要構(gòu)成防水、排水系統(tǒng)，要不然不能生產(chǎn)[5]。

2.4 工作面導(dǎo)水?dāng)鄬雍?/h3>

針對(duì)礦井東部邊界和其他工作面發(fā)育導(dǎo)水?dāng)鄬?，通過三維地震勘探資料分析對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬影l(fā)育范圍預(yù)計(jì)，和直流電法三級(jí)超前探測(cè)技術(shù)結(jié)合，對(duì)含水性與含水層富水性進(jìn)行探測(cè)，提前使用防治措施，并且以導(dǎo)水?dāng)鄬雍c導(dǎo)水的情況，使用相應(yīng)的措施實(shí)現(xiàn)綜合治理，避免含水層中的水利用斷層在工作面中導(dǎo)入，導(dǎo)致出現(xiàn)水害。圖2為工作面三級(jí)超前探測(cè)視電阻率的剖面圖。

圖2 三級(jí)超前探測(cè)視電阻率的剖面圖

2.5 數(shù)據(jù)處理

在井下測(cè)量過程中，礦井工作人員施工過程中會(huì)受到通電設(shè)備的干擾，如鉆探機(jī)、傳送帶啟動(dòng)等，對(duì)地下提供電源，電極在對(duì)反饋信號(hào)接收之后會(huì)改變某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，電壓電流值轉(zhuǎn)變成為負(fù)數(shù)，在對(duì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出與處理時(shí)，要剔除異常點(diǎn)，對(duì)結(jié)果精準(zhǔn)合理性進(jìn)行保證。

在完成礦井探測(cè)工作后，導(dǎo)出測(cè)得的數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)反演前創(chuàng)建立體空間模型，便于將變異點(diǎn)剔除，使反演精準(zhǔn)度得到提高。通過實(shí)測(cè)方向有效確定X、Y延展方向，利用實(shí)測(cè)距離確定立體模型的長(zhǎng)寬，以此推測(cè)地下深度，實(shí)現(xiàn)整體三維模型的創(chuàng)建。基準(zhǔn)點(diǎn)為四方電極能夠接受的反饋信息，豎直往下，平行的排列，理論推測(cè)平行四邊形，但是在建模過程中人為改變成為矩形柱體，實(shí)現(xiàn)縱橫分層，以實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)每層的增加，在向下延伸時(shí)實(shí)現(xiàn)8個(gè)相同規(guī)格棱柱體模型的細(xì)分[6]。圖3為淺層細(xì)分三維模型。

圖3 淺層細(xì)分三維模型

直流電測(cè)深法利用圓滑約束最小二乘法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)反演，參數(shù)為圓滑濾波系數(shù)f，將高斯-牛頓法反演程序作為基礎(chǔ)，將創(chuàng)建礦井劃分成為三維模型，調(diào)節(jié)模型柱狀體的電阻率，循環(huán)迭代中的數(shù)據(jù)，每次迭代后對(duì)偏導(dǎo)數(shù)雅可比矩陣進(jìn)行重新的計(jì)算，雖然時(shí)間比較長(zhǎng)，但是測(cè)量精準(zhǔn)。本文創(chuàng)建560 m×150 m×200 m(長(zhǎng)×寬×高)的立體三維網(wǎng)格體，方便實(shí)現(xiàn)分布可視化的礦井工作面底板地層電阻率[7]。

2.6 數(shù)據(jù)的分析

在Slicer Dicer三維可視化系統(tǒng)軟件中導(dǎo)入本文的反演數(shù)據(jù)資料，以此得出空間數(shù)據(jù)體，利用切片技術(shù)處理圖(見圖4)，標(biāo)記低阻異常的區(qū)域，結(jié)合地質(zhì)資料預(yù)測(cè)工作面的底板巖層富水位置，方便觀察，利用電阻率分析lgρ。將切眼和上順槽交匯處作為原點(diǎn)，根據(jù)上順槽對(duì)外作為Y、根據(jù)切眼向下作為正方向X，高度垂直于底層，實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)體模型的創(chuàng)建?；跀?shù)據(jù)體水平切片，底層下40 m徐灰層在低阻區(qū)域比較明顯。通過數(shù)據(jù)體進(jìn)行切片，底板下108 m，奧灰頂界面下30 m深度低阻區(qū)域在不斷縮小，對(duì)立體數(shù)據(jù)體結(jié)合，能夠劃分成為兩個(gè)區(qū)域：

第1區(qū)域：橫向起始測(cè)點(diǎn)在220 m處，底板向下深度113 m處，增加電阻，說明此為含水區(qū)域；

第2區(qū)域：橫向221處到切眼距離，地板面到地下深度118 m處，電阻率從低到高，表示為含水區(qū)域[8]。

圖4 煤礦工作面底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體

3 結(jié)語(yǔ)

通過本文研究得到以下結(jié)論：

1) 直流電法具有較高的超前探測(cè)可靠性，針對(duì)隱伏導(dǎo)水構(gòu)造與富水帶位置、地下水具有較高的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度；

2) 直流電法能夠?qū)⒐?jié)理、巖溶的裂隙發(fā)育礦井直觀地展現(xiàn)出來(lái)，使用注漿堵水或者疏干排水后檢驗(yàn)效果；

3) 針對(duì)開采年代比較久的礦井，利用直流電法能夠?qū)享衔恢眠M(jìn)行圈定；

4) 地面直流電法對(duì)于煤礦防治水具有主要的指導(dǎo)意義，針對(duì)缺水地區(qū)也能夠幫助找水；

5) 地層個(gè)別地段具有塌陷與裂縫地方，會(huì)干擾到地面直流電法，此方面需要進(jìn)一步的改進(jìn)。