电法类物探技术在煤矿工作面突水防治中的应用

周小龙

（安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001）

电法类物探技术在煤矿工作面突水防治中的应用

周小龙

（安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001）

本文分析了适用于煤矿工作面突水防治的几种电法类物探技术的基本原理和工作方法。双巷电法、音频电透视和无线电波透视技术对相对低阻的含水层和导水通道都有较好的反映。以物探探查结果为指导，结合钻探工程可以有效地进行煤矿工作面的突水防治工作。

矿井突水;直流电法;音频电透视;无线电波透视技术;工作面

0　引言

煤矿水害是仅次于瓦斯灾害的第二大煤矿灾害性事故，随着我国煤矿的开采深度逐年加大，面对更加复杂的开采条件，突水、淹井等煤矿水害事故也不断发生。矿井突水是由于煤层下伏承压水或相邻采空区的老空积水冲破煤层底板隔水层、防水煤柱的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式进入工作面，造成矿井涌水量增加或淹井的地质及采动影响现象。我国煤矿地质条件和开采条件差异很大，松散地层水、砂岩裂隙水、灰岩岩溶水、老空水等都可能成为工作面突水水源之一，复杂的地质构造条件、深部煤层的开采及老空区的存在进一步使得突水防治工作越来越困难[1]。目前，随着煤矿防治水工作研究的不断开展，已有多种物探技术运用于煤矿的水害防治，而电法类物探技术通常对矿井水的探测效果较灵敏，如矿井工作面双巷电法、音频电透视法、无线电波透视探测技术等。本文对这些探测技术在矿井突水中的应用进行了分析总结。

1　矿井突水物探探测的地球物理基础

矿井突水的两个基本条件水是水源和通道。矿井工作面突水事故是由于采动影响的顶底板岩层变形引起周边原生裂隙及次生裂隙相互连通，形成导水通道而导通周边的含水层所致。煤系地层突水的主要含水部位为砂岩和灰岩的含水裂隙区及充水的老窑区，而突水的通道主要为裂隙带、断层带和陷落柱等，这些含水部位和导水通道与正常岩层间均表现出显著的电性差异。电法勘探主要针对岩层中的电阻率差异常来进行探测，含水体及导水通道通常具有显著的低电阻率特征，而不含水的裂隙带、断层带和陷落柱则表现为显著的高电阻率特征。因此，适合采用电法类物探技术来探测可能的含水体和导水通道，从而指导工作面突水的防治工作[2]。

2　矿井工作面水害探查常用物探技术

2.1 矿井工作面双巷电法

矿井工作面双巷电法属于直流电法[3]，在工作面巷道中进行。为减少现场探测时间，通常采用网络并行电法仪进行探测。并行电法通过一次布设多道电极，在一次供电时，可以同步采集测线上各电极点电位变化情况，提升工作效率的同时还削弱了游散电流等干扰因素带来的影响，进而提高了直流电法采集数据的信噪比，大大增加了探测的准确性。数据采集方式有AM法和ABM法，可实现所有直流高密度电法探测（如温纳二极、三极、四极等）数据反演。通过将电法测线布置在已掘巷道中煤层的底板或顶板上，以此来观测不同位置不同标高的电位变化情况，再利用双巷三维电法反演，可以得出工作面底板或顶板范围内的电阻率分布情况，从而实现在三维空间圈定相对富水区。

双巷电法测线主要沿巷道布置，对巷道周边的电性变化特征灵敏，但对远离巷道的富水区范围探测精度降低。巷道内的金属管道、金属设备对该方法探测的影响相对较小，且该方法的探测结果通常可靠性较高[4]。如图1所示的是利用双巷三维并行电法对皖北煤电某工作面底板灰岩赋水情况探测得到的结果，共圈定了5个较强的相对低阻区作为富水区，与钻孔探放水资料相吻合。针对这些富水区进行了底板注浆加固工作，封闭了可能的裂隙导水通道，确保了工作面的安全回采。

图1　某工作面双巷三维并行电法探测结果图

2.2 音频电透视法

矿井音频电透视法以岩石导电性差异及全空间电场分布理论为基础，向地下人工供入音频电流，利用穿过采煤工作面由供电点到测量点电流线的电位降数据，通过层析成像技术给出工作面内电性变化图像，可以探查工作面顶底板一定深度范围内的含水异常区[5]。该法在井下工作时采用轴向单极-偶极法进行数据采集，即位于采煤工作面一条巷道中布置供电电极A，供电电极B置于无穷远处，在对面巷道中布置测量电极对（M、N电极）。根据工作面的宽度，在与供电电极A对应位置两侧一定范围内布置多个测量电极对（M、N电极），采用扇形区域接收(如图2所示)。通过对巷道1内所有供电电极重复测量，确保测区内各单元均被覆盖，之后交换顺序，将供电电极布置于巷道2中，将接收电极布置于巷道1中，按照同样方式进行探测。含水范围接收的MN电位差曲线通常明显偏低，这样可以确定含水区影响的范围，通过多点透视电位数据可以实现对含水异常区的圈定。这样的探测方式可以较好地压制来自探测区域外的干扰，突出工作面内部顶底板中含水体的影响，提高探测结果的精确度。

矿井音频电透视法的优点在于采用低频波建立人工电场，设定对应的接收频率，这样可以更好地避免其它频率信号造成的干扰，同时在井下抗电流干扰能力强，探测距离大。该方法对范围较大的低阻区通常有明显的反映，特别是对工作面中部的富水区反映较好，但是该方法不能很好地区分富水区存在于底板还是顶板，因此还需要进一步探查验证[6]。

图2　矿井音频电透视法探测示意图

2.3 无线电波坑透技术

矿井无线电波坑道透视技术属于高频电磁波勘探技术，主要应用于探测煤层内陷落柱、断层、煤层变薄区等地质异常范围的分布情况。电磁波在煤、岩层中传播时，其强度大小由煤岩电性参数决定[7]。当电磁波在穿越工作面煤层的过程中，低阻岩层会较强地吸收电磁波，若遇到与煤层电性不同的地质体如断层、陷落柱、含水带、顶板垮塌或其它地质构造时，会产生折射、反射作用，电磁波能量会被吸收或完全屏蔽，接收信号明显减弱，或者完全接收不到，出现透视异常现象。井下坑透法一般在两巷道间进行，如在回风巷布置发射点，向煤层中发射某一频率的电磁波，利用安置在运输巷的接收机观测电磁场场强H信号。观测时通常采用定点法，对一巷道内发射点的发射信号，在另一巷道设计多点进行观测，形成扇形观测范围。通过不同发射点的综合曲线图，可以分析地质异常变化情况，也可以采用层析成像反演的方法，得到工作面场强平面分布图和吸收系数平面分布图，以此来研究地质异常体的平面范围。

含水陷落柱通常具有显著的低电阻率值特征，可对电磁波进行强烈地吸收，导致在坑透综合曲线图上出现“漏斗型”或“U”字型特征，在吸收系数图上表现为显著的高吸收系数值。而断层带由于断层产状、断距大小及断层走向长度的不同，以及由于发射点和接收点与断层相对位置的不同，断层透视异常曲线的形态多样。透视综合曲线对断层的反映一般是衰减系数η＜0dB的低值异常，在吸收系数图上表现为较高的吸收系数值。通常断层落差越大，η值越小，断层影响范围计算出的煤岩层吸收系数值越大[8]。

3　电法类物探技术在煤矿工作面突水防治中的应用

对于可能存在突水的煤矿工作面，井下物探工作通常在工作面贯通以后，煤层回采以前进行探测。若煤矿突水的威胁程度较小，通常采用一种物探方法即可；而对于煤矿突水威胁程度较大的情况，则通常采用二种以上的物探探测方法来进行探测。对于探测出的地质异常区，由于物探结果存在多解性，并不能作为最终的决策依据，往往需要结合钻探进行验证[9]。对于物探探测出的相对富水区，可以采取针对性的钻探布置方案，在相对富水区内适当加密探放水钻孔，而在相对富水区外，则可以适当减少钻探工作量，以优化钻孔的设计方案。对于可疏放水富水区，往往采用钻孔疏放水的方法针对富水区范围放水以消除突水来源；对于无法进行疏放水的富水区，往往采用注浆加固的方法来封闭断层、裂隙或陷落柱等导水通道，从而增加隔水层厚度，以达到防治水安全规定要求[10]。

4　结论

（1）煤矿工作面突水的充水水源区和导水通道与围岩具有显著的电性差异，适宜于采用电法类物探技术进行探测。

（2）工作面双巷电法、音频电透视和无线电波透视技术是煤矿工作面突水预防的有效探查手段，结合钻探工程，可以有效地消除突水隐患。

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[7]郑俊军.矿井无线电波坑道透视探测技术应用探讨[J]. 煤炭与化工,2015,38(01):21-23.

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[9]刘盛东,刘静,岳建华.中国矿井物探技术发展现状和关键问题[J].煤炭学报,2014,39(01):19-25.

[10] 吕兆海,周建军,张侠等.综合物探技术在煤矿水害防治中的应用[J].建井技术,2014,35(06):37-41.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.078

周小龙（1989-）,男,安徽黄山人,硕士研究生,研究方向:工程与环境地球物理勘探。