综合物探方法在煤矿井下水害防治的应用

姚蔚

摘 要：贵州某煤矿矿床C15煤层是以直接顶板充水为主，含水层富水区域会对工作面的回采产生较大的影响。煤层底板为水文地质条件复杂的茅口灰岩，存在底板突水的威胁，为安全开采C15煤层，减少煤层带压开采导致突水事故，因此回采前有必要对某工作面顶、底板（尤其是底板）水文地质情况进行有效探查。本文采用综合物探方法对某矿工作面顶板和底板的水文地质条件进行探查，其中矿井高分辨电测深技术主要用来探查巷道底板的不良地质体；音频电透视技术主要用于探查煤层工作面内部及顶板的不良地质体。在某矿井下防治水的应用效果表明，综合物探方法在煤矿井下防治水勘探中效果良好，值得推广。

关键词：井下综合电法 煤矿防治水 电测深技术 音频电透视技术

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0046-05

Abstract： The C15 coal seam of a coal mine in guizhou province is mainly filled with water directly on the roof. The coal seam floor is maokou limestone with complex hydrogeological conditions， and there is a threat of water inrush from the floor. In order to safely mine C15 coal seam and reduce water inrush accidents caused by coal seam pressure mining， it is necessary to effectively explore the hydrogeological conditions of the roof and floor （especially the floor） of a certain working face before mining. In this paper， the hydrogeological conditions of the roof and floor of a mining face are explored by using the comprehensive geophysical exploration method， in which the high resolution electrical sounding technology is mainly used to detect the unfavorable geological body of the roadway floor. Audio frequency electric fluoroscopy technology is mainly used to detect bad geological bodies in the coal seam working face and roof. The application of comprehensive geophysical prospecting method to water prevention and control in a mine indicates that it is effective and worth popularizing.

Key Words： Underground integrated electrical method；Prevention and Control of Water in Coal Mines；Electrical sounding technology；Audio frequency electric fluoroscopy technology

貴州某煤矿C15煤层底板大部分区域处于茅口灰岩带压区范围。当存在隐伏构造（断层或陷落住）以及薄弱带时，造成有效隔水层厚度变小，根据实际掘进资料显示，在巷道掘进过程中确有轻微底鼓现象发生。前期已对工作面两顺槽及切眼开展超前探测，根据掌握的资料来看，工作面底板局部区域有起伏，在起伏区域多存在煤岩层裂隙较为发育情况，部分区域有滴淋水现象。考虑到顶板砂岩，尤其是底板灰岩岩溶对回采影响较大，因此回采前有必要对工作面顶底板（尤其是底板）水文地质情况进行有效探查，为工作面回采过程中防治水技术措施的合理实施提供参考依据。

目前用于煤矿井下水文地质调查的地球物理方法主要有槽波法地震勘探、井下电法类方法。槽波法地震勘探是研究槽波在井煤层中的传播规律从而达到探查工作面内部的小断层或其他不良地质体的一种地球物理方法。实际应用表明，槽波法地震勘探在煤矿井下探查小型隐伏断层、陷落柱（或工作面内其他不良地质体）的应用中展示了良好的应用效果，但其缺点是无法确定其是否积水。井下电法类方法包括矿井高分辨电测深技术、音频电透视技术、井下瞬变电磁法等。其中，矿井高分辨电测深技术主要用来探查巷道底板的不良地质体；音频电透视技术主要用于探查煤层工作面内部的不良地质体；而井下瞬变电磁法主要用于掘进迎头的超前探。这些方法既可以探查煤矿井下的不良地质构造，也可以确定不良地质构造是否含水。因此井下电法类方法在煤矿井下着广阔的应用发展前景。

由于该矿井下地质条件及水文地质条件较为复杂，因此本文采用音频电透视技术对该采面东段顶板岩层中赋水性异常进行探查，利用矿井高分辨电测深技术对采面西段巷道底板岩层富水性异常分布情况进行探查。

1 方法原理

1.1 井下高分辨电测深技术

煤矿井下各种岩（矿）石之间一般都存在导电性差异，这些差异会影响着人工电场的分布形态。矿井音频电透视法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的。

（1）地电模型及点源场的分布特征。

矿井音频电透视法以全空间电场分布理论为基础，对于均匀全空间，点电源产生的电场分布特征，可用如下关系式表达。

煤层与其顶、底板（一般为砂岩、泥岩互层）具有明显的电性差异。而煤层相对其顶、底板为高阻层，可用图1所示的三层地电模型来模拟上述电性组合特征。

根据镜像法，可以求出全空间内任意点的电位表达式为：

（2）含水构造对点源场的电位影响。

对于井下局部地质体的附加场，可用导电球来说明问题。即电流场中导体的异常可以近似地看作电偶极子的异常，如图2所示。

其表达式为：

根据（5）式、（10）式可以看出异常曲线（U/Un）是以点源A与地质体连线的延线为对称轴的轴对称曲线，如图4所示。

异常幅度、宽度与异常体的大小、异常体与围岩的电性差异及距收发面的距离等有关。异常体规模（体积与含水强弱的综合反映）越大、与围岩的电性差异越大、距收、发面距离越小，异常幅度就越大；反之则越小。图5为底板下存在含水体与不含局部水体等两种条件下电位测量曲线的比较示意图。

1.2 井下高分辨电测深技术

矿井直流电法属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，处理和解释有关矿井水文地质问题。

测深法是研究深度方向地层电性变化规律，从而获得深度方向地层各种地质信息的一种物探方法。它是在同一点逐次增大供电电极距，使勘探深度由小逐渐变大，于是可以观测到测点处沿深度方向由浅到深地层的变化特征。它主要用于研究电性分层和水文地质问题。

与地面电法不同的是井下电法是以全空间电场分布理论为基础，在地下巷道中进行电法测量工作，地下电流通过布置在巷道内的供电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场，该稳定场特征取决于巷道周围岩石的电性特征及其富存状态。

高分辨电测深技术使用对称四极和三极测深法，针对探测巷道底板含、导水构造裂隙而设计。测量示意图如图6。

2 综合物探方法在煤矿井下防治水中的应用

2.1 矿区概况

矿区钻遇和地表出露地层为二叠系中统茅口组（P2m），二叠系上统龙潭组（P3l）、长兴组（P3c）、三叠系下统夜郎组（T1y）及第四系（Q）。

根据区内岩层含水性特征划分的含水层自下而下有：第四系（Q）孔隙含水层、三叠系下统夜郎组第三段（T1y3）基岩裂隙含水层、三叠系下统夜郎组第二段（T1y2）岩溶含水层、三叠系下统夜郎组第一段（T1y1）相对隔水层、二叠系上统长兴组（P3c）岩溶含水层、二叠系上统龙潭组（P3l）裂隙含水层及二叠系中统茅口组（P2m）岩溶含水层。矿区范围内C15煤层距茅口灰岩含水层之间相对隔水层较薄，存在突水的可能。

2.2 资料分析与地质效果

图7为某工作面综合物探成果图，左侧为该工作面底板以下0～80m不同深度的平面异常图；右侧为工作面顶板0～80m不同深度的平面异常图，图中暖色调（红色）代表高电阻区域，冷色调（青色）代表低电阻区域。

（1）井下高分辨电测深成果。

根据底板直流电法测深成果显示底板下主要发现了5处低阻异常区，异常在底板下分布范围及幅值各不相同，其中4号异常区为本次底板探测发现的主要异常区。

1号异常在底板下0～50m范围有发育，结合地质资料分析认为该异常附近煤层底板可能存在裂隙相对发育情况，异常为茅口组灰岩裂隙发育并相对赋水所致；2号异常在底板下0～40m范围有发育，该异常位置在胶带顺槽有f309（2）断层揭露，在巷道掘进时在该区域有局部滴淋水现象，异常为顶板砂岩裂隙发育并相对赋水所致；3号异常在底板下0～80m范围均有发育，分析认为该位置处主要为茅口组灰岩局部裂隙发育并相对赋水所致。4号异常在底板下0～80m范围有发育，在胶带顺槽附近异常主要集中在0～60m层段，在回风顺槽附近则在0～80m都有反应，异常由胶带顺槽向回风顺槽逐渐附近异常从浅到深范围及幅值逐渐增大，结合地质资料分析认为该区域煤层底板岩层裂隙发育并相对赋水所致；5号异常主要集中在煤层底板下0～60m范围内，分析认为该位置处异常主要为茅口组灰岩岩层段局部裂隙相对发育并赋水所致。

（2）音频电透视法成果。

音频电透视在顶板上80m范围内共发现3处视电导率异常，异常区在0～40m层段与40～80m层段发育位置基本一致，6号异常在顶板上0～80m范围内均有分布，在0～40m层段异常幅值相对较弱，40～80m层段异常幅值相对较强贯穿整个工作面。推测认为异常附近煤层顶板可能存在裂隙相对发育情况，异常为砂岩裂隙发育并相对赋水所致；7号异常在0～40m层段未见發育，在40～80m层段仅有零星分布，分析认为异常可能为煤层顶板裂隙相对发育并赋水所致；8号异常在0～80m范围都有发育，在40～80m层段发育明显强于0～40m区域，推测异常可能为煤层顶板砂岩层段裂隙相对发育并赋水所致。

3 结语

本文针对贵州某煤矿复杂的水文地质条件，采用了矿井高分辨电测深技术和音频电透视技术综合物探技术分别探查煤层工作面顶板砂岩含水层相对富水区和底板茅口组灰岩含水层的相对低阻异常区。在该矿应用效果表明，综合物探方法在煤矿井下防治水效果良好，值得推广。

参考文献

[1] 张池，孙伟，张奋轩.井下电法探测煤矿水患致灾因素的应用[J].陕西煤炭，2018（4）：59.

[2] 杨德鹏，翟培合，邢子浩，等.井下三维高密度电法超前探测技术在煤矿的应用[J].煤炭技术，2014（5）：71-73.

[3] 李玉宝.煤矿井下物探技术发展回顾与展望[J].中国矿业，2012（S1）.

[4] 付茂如，张平松，王大设，等.矿井工作面底板水害综合探查技术研究[J].矿业安全与环保，2013（2）：81-82.

[5] 徐栓祥.利用电法超前探测井下巷道顶板岩层富水性[J].陕西煤炭，2012（1）：105-107.

[6] 石亚丁，高致宏.井下电法在桃园煤矿灰岩水防治中的应用[J].煤炭技术，2003（1）：83-85.

[7] 王大庆，张华恩，许新刚.均匀围岩介质中点源电流场的巷道影响模拟研究[J].物探与化探，2003（4）：55-58.

[8] 刘青雯.井下电法超前探测方法及其应用[J].煤田地质与勘探，2001（5）：60-62.

[9] 王星明，沈福斌，王一凡，等.综合物探技术在煤矿灾害隐患探测中的应用[C].煤矿隐蔽致灾因素及探查技术研究，2015.

[10]李玉宝.煤矿井下物探技术发展回顾与展望[A].第九届全国采矿学术会议暨矿山技术设备展示会论文集[C].2012.

[11]韩德品，赵镨，李丹.矿井物探技术应用现状与发展展望[J].地球物理学进展，2009（5）：1839.

[12]韩德品，李丹，程久龙，等.超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法[J]. 煤炭学报，2010（4）：635-639.

[13]韩德品，石亚丁.矿井电穿透方法技术的研究[J].煤田地质与勘探，2000（2）：50-52.

[14]韩德品，石亚丁，刘青雯.矿井电穿透法一维正演数值模拟[J].煤田地质与勘探，2001（1）：52-54.

[15]刘青雯，刘艳玲，韩德品.矿井电穿透法二维正演数值模拟[J].煤田地质与勘探，2001（3）：48-52.

[16]韩德品，张连福，龚世龙.采煤工作面内陷落柱超前探测技术与应用[A].煤矿安全与地球物理学术研讨会论文集[C].2006.