音频电透视法在37221-1综采工作面富水性探测中的应用

魏仕贤

摘要：本次采用音频电透视探测施工地点为37221-1综放工作面，为确保37221-1工作面安全回采，采用128HZ、16Hz两个频段的音频电透视对37221-1工作面顶板和37121-1工作面采空区0-30m、30-70m范围对富水性进行探测，最后通过层位成果图对比判断950水平各工作面采空区和37121-1工作面采空区下顺槽积水区域，为采空区积水探放和37221-1工作面安全回采提供技术依据。

关键词：音频电透视;富水性;导通性

1.矿井概况

东峡煤矿位于甘肃省平凉市华亭市境内，地处华亭煤田东南部，隶属华亭市东华镇管辖，矿井为斜井开拓、暗斜井延伸、多水平开采，采用倾斜分层走向长臂综合机械化放顶煤采煤法。地理位置位于华亭城东1.8km处，东距安口镇20km，南距宝鸡市157km，西南距天水市159km，北距平凉市54km，均有公路相通。矿井水文地质简单，涌水量为25-50m3/h，主要水源为生产用水、灌浆水、煤层顶底板第二弱含水层、第一弱含水层中的水，其中灌浆水对矿井安全回采威胁最大。

2.37221-1综放工作面概况

37221-1工作面位于875-940阶段，工作面平均长度为120m，斜上部为35119-1、35219-1工作面采空区，正上方为37121-1工作面采空区，煤岩层产状为266°-268°∠22°-34°，构造为一倾向南西，倾角22°-34°的单斜构造。煤6层位于第二弱含水层和第一弱含水层之间，第二弱含水层主要为河流相、湖泊相交替沉积，厚72-180m，该含水层为一弱含水层，单位涌水量为g=0.00096L/m·s、渗透系数k=0.00104m/d。第一含水层广泛分布于井田内及其外围，为煤系地层沉积基底，单位涌水量g=0.0.0018L/m·s、渗透系数k=0.0025m/d，在水力联系上均较差。

3.主要工程

本次施工地点为37221-1综放工作面上、下顺槽（南段），工作面法向老顶为第二弱含水层，37221-1下顺槽西部为37121-1综放工作面采空区下顺槽，为确保37221-1工作面安全回采，采用音频电透视法对37221-1工作面顶板和37121-1采空区进行富水性探测，探测深度不低于70m。

4.基本原理

利用各种岩石之间存在电性差异的规律来解决地质及水文地质问题。

4.1地电模型及点源场的分布特征

矿井电透视穿透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：

根据镜像法，可以求出全空间内任意点的电位表达式为：

式中：Ui，j为第i层的点源在第j层的电位;L供电点至观测点的距离;ρi为第i层的电阻率值;kn（i，j）=F（L，d，θ，ρm）为反射系数函数。

4.2含水构造对点源场的电位影响

含水构造可以模拟为局部地质体，如图2-2c所示。

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。其表达式为：

则低阻良导体产生一个负电位，如图2-2a所示。对于井下近似三层地电模型来说，其点源场电位表达式为：       U=U0+Un（10）

式中：U0為无局部地质体时的电位分布;Un为局部地质体的异常。

根据（5）、（10）式反映出异常曲线（U/U0）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2-2b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2-2c为顶板上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。

5.施工布置

本次音频电透技术探测，自37221-1工作面的切眼位置开始，分别在上顺槽、下顺槽编点为1#，以10m为点距编号，上顺槽1#～61#，下顺槽1#～54#。发射点间距为50m，对应巷道进行扇形扫描接收。设计本次物探工作在上顺槽、下顺槽顶板分别布置发射点12个，接收点分别为上顺槽61个，下顺槽54个。观测系统示意图如图2-4。

a.轴向单极——偶极法        b.井下电穿透测量方式

6.参数选择

矿井音频电透视法使用YBT32矿用并行电法透视仪，本次勘探设置128Hz、16Hz两个频点，结合低、高频的特点，采用128HZ探测顶板0-30m范围内富水性，16Hz勘探30-70m范围内富水性，最后通过层位成果图对比判断950水平采空区和37121-1采空区下顺槽积水区域。

7. 资料处理

本次探测采用矿井音频电透视层析成像。利用穿过采煤工作面内的电位降数据，重建采面电性变化图像圈定底电阻区域。

设X为供电点与测量点之间的连线，△U为电位降，可以证明：

式中：（x，y）为电性参数（是x，y的位置函数）;C为调节系数。

如图4-1所示。假定第j条射线穿过I个单元，则第j条射线上的电位降表达式为：（13）

式中：rj，i分别为第j条射线位于第I单元内的长度（各单元序号是x，y的位置函数）;δj，i为第I个单元内的电性参数。

将所有各射线建立方程，则有：△U=x·δ  （14），采用多次迭代的近似值法来计算σ的其近似解。

8. 物探成果

经过处理获得物探成果图件，将物探成果和已知的地质资料相结合，从点到线，由线到面，由浅入深的原则进行综合分析得出地质结论。

一般而言，在地层岩性切向相对均一的条件下，同一频率建立的电场所获得的视电导率值越高，说明地层的综合导电性越好，含水也就越丰富。根据统计解释原则，获得顶板存在2个异常区，编号为YC1#、YC2#（图4-1红色圈定区域）。

9.结论分析

东峡煤矿37221-1工作面音频电透视勘探结果存在2个电性异常区域，分析如下：

1.30～70m电导率拟断面图大部分区域电导率值高于阈值，表现为相对低阻、高电导，且相对均一连续，结合地质情况，在平面图中标记的YC2#位置富水性较为明显;0-30m电导率拟断面图表现为局部相对低阻、高电导，进而局部区域富水，且在平面图中YC1#位置较为明显，主要为采空区富水、裂隙少量富含水。

2.YC1#异常区位于工作面退尺20～120m，倾向上贯穿工作面，范围相对集中，异常幅度相对较大，分析判定该区为37121-1采空区积水。

3.YC2#异常区位分布在工作面外段，位于工作面退尺20-100m倾向上贯穿工作面。电导率相对较高、电阻率相对较低、异常幅度较大，分析判定该顶板含水层富水。

参考文献：

[1]顺槽掘进工作面地质说明书.

[2]875-940阶段工作面布置剖面图.

[3]矿井采掘工程平面图.

[4]矿井地层综合柱状图.

[5]37221-1工作面设计说明书.