音頻電透視法在煤礦工作面頂板水探測(cè)中的應(yīng)用

劉建國(guó)

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 物測(cè)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

防治水一直是煤礦安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要前提工作，隨著技術(shù)的發(fā)展和煤礦生產(chǎn)的需求，物探方法在煤礦防治水等工作中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，已作為煤礦防治水細(xì)則中要求的一項(xiàng)必要工作，通過(guò)利用各種物探方法手段，探測(cè)斷層、陷落柱等構(gòu)造的賦存情況，探查煤層頂?shù)装甯凰闆r，用以防止和減少水患事故。目前常用于解決煤礦水患問(wèn)題的井下物探方法有，瞬變電磁法、直流電測(cè)深法及音頻電透視等方法。此次采用音頻電透視法對(duì)煤礦回采工作面頂板水的探測(cè)開(kāi)展工作。

1 概 況

此次音頻電透視法所探測(cè)工作面構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層構(gòu)造形態(tài)為向西的緩傾單斜構(gòu)造，煤層單一穩(wěn)定，工作面直接頂為油頁(yè)巖。根據(jù)以往地質(zhì)資料可知，工作面煤層上覆巖層為直接充水含水層。工作面開(kāi)采時(shí)，局部區(qū)域頂?shù)装寮懊罕诳赡軙?huì)出現(xiàn)少量淋水滲水現(xiàn)象，水源主要來(lái)自頂板裂隙淋水。

2 音頻電透視法簡(jiǎn)介

2.1 音頻電透視法原理

各類(lèi)巖層具有各自不同的電阻率（或電導(dǎo)率），電法勘探就是通過(guò)探測(cè)井下不同位置巖層的電阻率（或電導(dǎo)率） 的差異來(lái)達(dá)到探查目標(biāo)地質(zhì)體的工作任務(wù)。在同一巖層內(nèi)，電性分布相對(duì)均勻，而巖層的富水將對(duì)其電阻率（或電導(dǎo)率） 的高低情況起到?jīng)Q定性作用。若是巖層中不無(wú)水，則其導(dǎo)電性較差，使局部電阻率值增高（電導(dǎo)率值下降）；當(dāng)巖層中含水時(shí)，因?yàn)榈V井水的礦化度較高，所以巖層導(dǎo)電性較好，進(jìn)而使局部電阻率值降低（電導(dǎo)率值升高）。音頻電透視法即是通過(guò)專(zhuān)業(yè)儀器測(cè)量井下不同巖礦石之間導(dǎo)電差異影響的人工電場(chǎng)的分布形態(tài)，記錄其分布規(guī)律，用以解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題。因此可采用音頻電透視法探測(cè)煤層頂板巖層視電導(dǎo)率值變化規(guī)律，推斷解釋頂板巖層富水分布情況。

2.2 工作布置

音頻電透視法探測(cè)測(cè)點(diǎn)間距為10 m，發(fā)射點(diǎn)間距為50 m，測(cè)點(diǎn)從工作面兩巷停采線開(kāi)始布置至切眼，分別布置在工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷內(nèi)幫。工作中在發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)巷道中進(jìn)行扇形采集接收數(shù)據(jù)。音頻電透視法數(shù)據(jù)采集測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 音頻電透視法數(shù)據(jù)采集測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.1 Arrangement of data acquisition and measurement points of audio frequency electrofluoroscopy

3 音頻電透視法數(shù)據(jù)處理解釋

音頻電透視法數(shù)據(jù)處理解釋采用層析成像法，采用穿過(guò)回采工作面的沿諸多電場(chǎng)線的電位降數(shù)據(jù)來(lái)建立工作面電性變化圖像。

設(shè)X 為供電點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間的連線，U為電位降，可以證明：

式中：δ（x，y） 為電性參數(shù)（是x，y 的位置函數(shù)）；C為調(diào)節(jié)系數(shù)。其中求取電導(dǎo)率值為視電導(dǎo)率值，它與真實(shí)電導(dǎo)率差異較大，是因?yàn)樵贑T 反演中對(duì)調(diào)節(jié)系數(shù)C的選取不同，可在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行設(shè)置，以獲得不同大小的視電導(dǎo)率值，但數(shù)據(jù)的改變是整體同步變大或變小，不影響對(duì)相對(duì)富水區(qū)的判定。本次計(jì)算的視電導(dǎo)率較大，是人為調(diào)整而成，其原因是反演的視電導(dǎo)率值一般較小，在成像表達(dá)過(guò)程中，利用顏色有時(shí)難以區(qū)分，故為便于清晰識(shí)別異常區(qū)，通過(guò)改變C值，同步放大了視電導(dǎo)率值。

現(xiàn)將整個(gè)研究范圍分為J個(gè)單元來(lái)考慮（J=M×N），如圖2 所示將所研究的問(wèn)題離散化。假設(shè)第j 條射線穿過(guò)I個(gè)單元，則第j條射線上的電位降表達(dá)式為：

圖2 單元剖分Fig.2 Unit subdivision

式中：rj,i分別為第j條射線位于第I單元內(nèi)的長(zhǎng)度，各單元序號(hào)是x，y 的位置函數(shù)；δj,i為第I 個(gè)單元內(nèi)的電性參數(shù)。

將所有各射線建立方程，則有：

則所有問(wèn)題轉(zhuǎn)化為根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算δ 的值。采用多次迭代的近似值法來(lái)求其近似解。

此次成果按照以下解釋原則進(jìn)行：解釋參數(shù)為視電導(dǎo)率，不是地質(zhì)體真實(shí)的電導(dǎo)率，在量級(jí)上兩者有較大差異，但不影響對(duì)良導(dǎo)介質(zhì)（如含水體）分布范圍的判定。CT 成像圖用顏色劃分，分級(jí)越多，越能精細(xì)地劃分電性變化規(guī)律。在數(shù)據(jù)資料分析過(guò)程中，劃分級(jí)別參考了相關(guān)地質(zhì)資料，以便音頻電透視成果資料更加符合實(shí)際情況。

4 成果分析

通常情況下，由于地層巖性相對(duì)均一，相同頻率建立的人工電場(chǎng)觀測(cè)得到的視電導(dǎo)率值越高，表明該區(qū)域地層導(dǎo)電性越好，富水可能性也就越強(qiáng)。因此按照頻率域電場(chǎng)理論及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，推斷高頻率視電導(dǎo)率探測(cè)結(jié)果的有效探測(cè)距離為0～50 m巖層段；低頻率視電導(dǎo)率探測(cè)結(jié)果的有效探測(cè)距離為50～100 m 巖層段。

根據(jù)此次音頻電透視成果（圖3~圖4） 可知，工作面頂板上0～50 m、50～100 m 范圍內(nèi)地層的綜合視電導(dǎo)率值一般為1~12（S/m），其中頂板上0～50 m 范圍有2 處明顯視電導(dǎo)率值≥14（S/m）的異常條帶，依據(jù)上述視電導(dǎo)率閾值標(biāo)準(zhǔn)，推斷存在YC1 及YC2 兩處電性異常區(qū)。工作面頂板上50～100 m 無(wú)明顯異常區(qū)域（坐標(biāo)原點(diǎn)為工作面運(yùn)輸巷與停采線交點(diǎn)處，原點(diǎn)垂直指向切眼方向?yàn)閤軸正方向，垂直指向工作面回風(fēng)巷為y 軸正方向，定義坐標(biāo)（x，y），表示異常區(qū)范圍在x、y 軸方向上的位置）。

圖3 工作面頂板上0 ~ 50 m音頻電透異常分布Fig.3 Abnormal distribution of 0~50 m audio electrotransmission on the working face roof

圖4 工作面頂板上50 ~ 100 m音頻電透異常分布Fig.4 Abnormal distribution of 50~100 m audio electrotransmission on the working face roof

推斷分析認(rèn)為YC1 應(yīng)為頂板砂巖弱富水所致（回風(fēng)巷2 450 ~2 500 m 段，回風(fēng)巷向工作面0~55 m），分析認(rèn)為YC2 對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸巷位置停放有部分機(jī)械設(shè)備，因此該異?？赡転楦蓴_影響所致（運(yùn)輸巷3 110~3 190 m段，運(yùn)輸巷向工作面0~100 m）。

5 結(jié) 論

（1） 此次解釋的富水異常區(qū)的判定是基于音頻電透視法探測(cè)的反映結(jié)果，從探測(cè)成果中可看出，音頻電透視法對(duì)于煤層頂板上視電導(dǎo)率較高區(qū)域的特征反映比較明顯，能夠識(shí)別出煤層頂板上的富水異常區(qū)。

（2） 音頻電透視資料反映的均是地層含水性的靜態(tài)特性，在煤層開(kāi)采時(shí)，煤層附近隨著地應(yīng)力的急劇變化，會(huì)使原生裂隙增大或產(chǎn)生新的裂隙，這將會(huì)導(dǎo)致裂隙水的賦存狀態(tài)、位置也隨之發(fā)生變化。

（3） 由于音頻電透視法為間接探測(cè)手段，并且由于井下巷道中電纜、金屬管道、皮帶架、機(jī)電設(shè)備等干擾因素的存在，對(duì)解釋成果有一定的影響。