頂板音頻電透視三維可視化應(yīng)用

王云龍

（烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司地測(cè)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 研究頂板富水性的意義

1.1 礦區(qū)頂板富水性現(xiàn)狀

納林河礦區(qū)處于鄂爾多斯煤田中部。礦區(qū)南部為榆橫礦區(qū)，北部為呼吉爾特礦區(qū)，周邊均為新近開發(fā)的產(chǎn)煤區(qū)。納林河二號(hào)礦井主要水害威脅為頂板水。3-1 煤層頂板含水層以河流相沉積為主，含水層厚度大、水壓力高、富水性不均一、局部區(qū)域富水性極強(qiáng)。含水層水以靜儲(chǔ)量為主，但局部區(qū)域動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量較大。

1.2 頂板富水性物探現(xiàn)狀

3-1 煤頂板巖層富水性的復(fù)雜性和不均一性使工作面頂板水疏放難度大、回采過程中防治水工作難度極大。目前，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司使用的音頻電透視技術(shù)能對(duì)頂板富水區(qū)分布平面位置進(jìn)行探測(cè)，效果較好，但對(duì)富水區(qū)分布范圍定位精度較低，富水區(qū)分布位置、規(guī)律與物探異常區(qū)存在一定的出入，導(dǎo)致疏放水鉆孔有效布置和疏放存在困難。因此，需要應(yīng)用一種快速、有效的方法對(duì)工作面頂板巖層富水區(qū)的垂向、橫向分布范圍進(jìn)行精確探測(cè)、圈定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂板富水區(qū)的精確定位，高效指導(dǎo)疏放水工作。

2 頂板物探的意義與研究現(xiàn)狀

2.1 頂板物探的作用

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第四十一條規(guī)定：工作面回采前，應(yīng)當(dāng)查清采煤工作面及周邊老空水、含水層富水性和斷層、陷落柱含（導(dǎo)）水性等情況。

頂板物探是按照規(guī)定查清含水層富水性的最有效手段。回采工作面頂板物探也是指導(dǎo)頂板疏放水鉆孔設(shè)計(jì)的依據(jù)，為頂板疏放水提供頂板富水區(qū)域、層位高度及富水程度等資料。目前，對(duì)物探和疏放水成果展示通常為二維斷/平面圖，成果圖與工作面空間位置關(guān)系不直觀，物探和疏放水成果分布形態(tài)不直觀，易導(dǎo)致地測(cè)人員對(duì)成果資料的誤解。因此，需要對(duì)工作面底板、物探和疏放水成果等要素進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)探放水成果的三維可視化。

2.2 頂板物探研究的發(fā)展?fàn)顩r

目前用于井下工作面頂板富水性探測(cè)的物探方法較多，有礦井瞬變電磁法、礦井直流電法、音頻電穿透法等。礦井瞬變電磁法和礦井直流電法在陜北、內(nèi)蒙地區(qū)大采寬（工作面寬大于300m）工作面頂板探測(cè)時(shí)，僅可以探測(cè)工作面順槽頂板附近的富水性，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂板的覆蓋探測(cè)。音頻電穿透可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂板的覆蓋式探測(cè)，但目前的二維反演解釋無法反應(yīng)工作面頂板縱向上的富水性變化。魯晶津等研究的井下電阻率三維反演成像[1]能在橫向和縱向反應(yīng)探測(cè)結(jié)果，但在實(shí)際應(yīng)用中，其反演得到的低阻異常位于工作面頂板淺部（一般位于工作面頂板上60m 以內(nèi)），與實(shí)際鉆孔揭露的巖層分布規(guī)律常常不符。

音頻電透視屬于礦井電阻率法，近年來在礦井防治水工作中取得了重要進(jìn)展，在礦井突水災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面發(fā)揮了重要的作用。

1997 年，韓德品、石亞丁等對(duì)井下單極—偶極直流電透視原理及解釋方法[2]進(jìn)行了研究，為正確區(qū)分工作面頂、底板圍巖和煤層內(nèi)的地質(zhì)異常提供了理論依據(jù)。1999年，中國礦業(yè)大學(xué)岳建華、劉樹才等對(duì)井下直流電法的全空間場和巷道影響[3]進(jìn)行了理論研究。2000—2001 年，韓德品、石亞丁、劉青雯等對(duì)礦井音頻電穿透技術(shù)一維和二維數(shù)值模擬研究，全面地研究了工作面兩巷道間電穿透建場方法理論和電場的分布規(guī)律[4]。2016 年，魯晶津?qū)Φ湫蛿鄬訕?gòu)造的礦井電透視電性異常特征進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，并開展了礦井音頻電透視井下三維電阻率反演成像技術(shù)研究[5]。2019 年，王程、魯晶津?qū)⒌V井音頻電透視三維電阻率反演成像技術(shù)應(yīng)用到了含/導(dǎo)水陷落柱探測(cè)中[6]，結(jié)果表明礦井音頻電透視三維反演可準(zhǔn)確識(shí)別含/導(dǎo)水陷落柱空間位置、展布范圍等。

綜上所述，由于礦井直流測(cè)深法、礦井瞬變電磁法等的局限性，導(dǎo)致其無法適用于蒙陜地區(qū)大采寬（工作面寬大于260m）工作面頂板富水區(qū)的探測(cè)，音頻電透視適用于大采寬工作面頂板富水區(qū)探測(cè)，但目前的探測(cè)效果難以達(dá)到防治水高效、精確度高、可靠性高的要求，其施工、反演解釋精度有待進(jìn)一步改善和提高。

3 工作開展情況

3.1 前期工作

2007 年11 月，陜西省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)在納林河二號(hào)礦井首采區(qū)進(jìn)行了地面瞬變電磁法勘探，共布設(shè)測(cè)線34 條，測(cè)線長87.76 km，物理點(diǎn)1 190 個(gè)。根據(jù)地面瞬變電磁法勘探資料，結(jié)合鉆孔資料和前期水文研究成果，研究瞬變電磁法沉積約束反演技術(shù)，對(duì)納林河二號(hào)井3-1煤頂板富水區(qū)宏觀分布進(jìn)行了分析判斷。

利用納林河二號(hào)井地面鉆孔資料，研究3-1 煤頂板至地表各含水層、隔水層的分布規(guī)律。

本次研究的納林河二號(hào)礦井31121 工作面為首采區(qū)北翼第1 個(gè)工作面，位于首采區(qū)北翼西部。工作面長2 628 m，寬300 m。根據(jù)北京天地科技股份有限公司提交的《31101工作面覆巖破壞觀測(cè)成果總結(jié)報(bào)告》，開采3-1 煤時(shí)的裂采比為22.06，該工作面平均采高5.64 m，則導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度約為124.4 m。因此，確定該工作面頂板疏放水范圍為3-1 煤頂板以上125 m。

根據(jù)前期搜集的地質(zhì)資料，31121工作面頂板以上125m內(nèi)的主要含水層為侏羅系中統(tǒng)安定組和直羅組地層，厚度234.90 m～275.49 m，平均256.62 m。巖性上部安定組（J2a）為中、粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖及細(xì)粒砂巖；下部直羅組（J2z）為中粗粒砂巖，雜色粉砂巖及砂質(zhì)泥巖。根據(jù)首采區(qū)補(bǔ)充勘探，單位涌水量0.0273 L/s·m～0.1205 L/s·m（統(tǒng)降單位涌水量0.0187 L/s·m～0.07089 L/s·m），滲透系數(shù)0.01001 m/d～0.02845m/d，富水性弱。水化學(xué)類型為SO4-Na型水，礦化度6 122 mg/L～8 637mg/L。

3.2 音頻電透視原理

由于地下各種巖（礦）石之間存在導(dǎo)電差異，影響著人工電場的分布形態(tài)。礦井音頻電穿透法就是利用專門的儀器在井下觀測(cè)人工場源的分布規(guī)律來達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的，是在2 個(gè)巷道內(nèi)同時(shí)作業(yè)，相對(duì)固定供電（發(fā)射）電極A1、A2，移動(dòng)測(cè)量電極M、N，對(duì)工作面進(jìn)行以發(fā)射點(diǎn)為中心的扇形掃描，達(dá)到探測(cè)工作面平面的目的。

3.3 頂板音頻電透視物探工作開展

2017 年11 月，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)人員在納林河二號(hào)礦井31121工作面針對(duì)工作面頂板含水層富水區(qū)情況進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，本次音頻電透視探測(cè)工作使用的儀器為中煤科工集團(tuán)西安研究院研制并生產(chǎn)的YT120（A）（原DTS-IA）型防爆音頻電透視儀，是一種應(yīng)用于礦井條件下水文地質(zhì)條件探查的專用儀器。本次音頻電透視每50 m 一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，每10 m 一個(gè)接收點(diǎn)，兩順槽各布置54 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，264 個(gè)接收點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在另一巷道與之對(duì)稱點(diǎn)附近一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)7～21 個(gè)接收點(diǎn)，探測(cè)工作面長度為2 630 m，探測(cè)0 m～80 m 和80 m～120m 2 個(gè)層段。

本次工作面瞬變電磁和音頻電透視井下數(shù)據(jù)采集工作于2017 年11 月7 日—2017 年11 月10 日和2017 年12月5 日—2017 年12 月31 日完成。

根據(jù)相關(guān)要求，音頻電穿透檢查點(diǎn)布置在異常區(qū)段，在2 條順槽各布置了40 個(gè)檢查點(diǎn)，質(zhì)量檢測(cè)工作量占瞬變電磁總工作量的6.06%，符合規(guī)范5%的要求。

采用人工交匯法與CT 成像法2 種方法對(duì)資料進(jìn)行處理，形成相對(duì)應(yīng)的音頻電穿透兩層段異常平面圖。

3.4 資料分析與三維可視化

將鉆孔資料、水文資料、地面瞬變電磁法探測(cè)成果和音頻電透視法探測(cè)成果進(jìn)行結(jié)合，對(duì)井下工作面、煤層頂/底板、頂板含水層、富水區(qū)等要素進(jìn)行可視化研究與三維建模。

三維建模主要使用三維建模軟件Voxler。Voxler 是美國Golden 軟件公司的產(chǎn)品，用于繪制三維圖形，是科技工作者所需的軟件，在各行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。將音頻電透視法探測(cè)成果與地面瞬變電磁法探測(cè)成果、鉆孔資料、水文資料等輸入Voxler 三維建模軟件后，經(jīng)三維反演，得到三維可視化的工作面頂板富水異常區(qū)立體圖，可直觀顯示富水異常區(qū)的橫向和垂向上的情況。

3.5 三維可視化的優(yōu)點(diǎn)

通過音頻電透視法沉積約束三維反演技術(shù)，達(dá)到對(duì)工作面頂板富水區(qū)局部分布的精細(xì)探測(cè)的目的。三維建模實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面頂板起伏形態(tài)的三維展示，通過三維可視化模型可以直觀顯示工作面頂板中的向斜、背斜及起伏形態(tài)。

圖1 為31121 工作面頂板形態(tài)三維圖，圖中實(shí)現(xiàn)了工作面頂板形態(tài)、頂板物探異常區(qū)和設(shè)計(jì)疏放水鉆孔的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 31121 工作面頂板形態(tài)三維圖

4 三維可視化的成果應(yīng)用情況

4.1 頂板疏放水孔的設(shè)計(jì)依據(jù)

以往使用的頂板音頻電透視二維平面成果展示，只能顯示出頂板含水層頂板富水區(qū)的平面位置和范圍，無法顯示富水區(qū)高度層位，不利于頂板疏放水孔的設(shè)計(jì)。

使用三維可視化的成果，可以立體展示頂板含水層富水區(qū)的平面位置范圍和垂直高度層位，為頂板疏放水孔設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

31121工作面頂板物探發(fā)現(xiàn)頂板上0 m～120 m存在5處富水異常區(qū)，針對(duì)異常區(qū)布置了31 個(gè)疏放水鉆孔。31 個(gè)鉆孔終孔水壓為1.2 MPa～3.3 MPa，平均水壓力為1.77 MPa。如圖2所示，通過鉆孔終孔水壓等值線圖可以看出，整個(gè)工作面頂板存在2 處主要的富水區(qū)：1 號(hào)富水區(qū)對(duì)應(yīng)4 號(hào)異常區(qū)，該區(qū)域大多數(shù)探放水鉆孔涌水量均在10 m3/h 以上，其中Y4-2鉆孔涌水量達(dá)到17.6 m3/h，為該區(qū)域涌水量最大的鉆孔。2號(hào)富水區(qū)對(duì)應(yīng)5 號(hào)異常區(qū)，該區(qū)域大多數(shù)探放水鉆孔涌水量均在10 m3/h 以上，其中F1-2 鉆孔涌水量18.5 m3/h 為所有疏放水鉆孔中水量最大值。鉆探揭露的31121 工作面頂板含水層富水性分布趨勢(shì)與物探探測(cè)結(jié)果相吻合。

根據(jù)圖2，可以從頂板低阻異常區(qū)分析出頂板富水區(qū)，并可直接查看可視化頂板富水區(qū)的富水高度情況，對(duì)設(shè)計(jì)頂板疏放水鉆孔有直觀的指導(dǎo)意義。

圖2 31121 工作面富水異常區(qū)三維圖

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

31121 工作面原設(shè)計(jì)頂板疏放水孔129 個(gè)，根據(jù)該技術(shù)的探測(cè)成果對(duì)31121 工作面頂板疏放水鉆孔進(jìn)行優(yōu)化后，31121 工作面共減少了鉆孔98 個(gè)，減少工程量17 052 m，減少工期98 d，納林河二號(hào)礦井降低了直接成本400.28 萬元，降幅達(dá)72.49%。

2018 年3 月，將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于3-1 上102 工作面，共減少了鉆孔198 個(gè)，減少進(jìn)尺34 452 m，減少工期198 d，納林河二號(hào)礦井降低了直接成本810.8 萬元，降幅達(dá)77.0 %。

目前，項(xiàng)目成果已經(jīng)在納林河二號(hào)礦井各回采工作面探放水工作中得到了廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

針對(duì)3-1 煤頂板含水層富水性不均一、音頻電穿透的二維反演解釋無法反映工作面頂板縱向上的富水性變化情況，研究認(rèn)為音頻電透視物探成果資料有三維反演成像的可能性和必要性。2017 年12 月，在31121 工作面針對(duì)頂板含水層富水區(qū)進(jìn)行了物探，通過對(duì)工作面物探數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演計(jì)算，利用三維建模軟件Voxler 對(duì)工作面頂板、物探異常區(qū)水壓進(jìn)行三維建模，得到了頂板含水層富水區(qū)的三維模型，用來優(yōu)化頂板疏放水鉆孔的設(shè)計(jì)，在含水量較大的富水區(qū)增加疏放水鉆孔，從而達(dá)到準(zhǔn)確疏放含水層水、有效指導(dǎo)頂板含水層治理的目的。

由于蒙陜地區(qū)普遍存在頂板水害問題，該技術(shù)體系推廣應(yīng)用前景較大，預(yù)計(jì)可為煤礦增加20%經(jīng)濟(jì)效益。