程紹強(qiáng) 李永軍 李小明

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

1 前言

目前我國煤層底板水害已經(jīng)造成了生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，并且仍是今后威脅我國煤炭資源安全開采的主要水害類型。有效地探查回采工作面底板富水異常區(qū)位置，為底板防治水提供基礎(chǔ)，對于煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

地球物理探測方法在礦井富水異常區(qū)位置的探測方面應(yīng)用前景非常廣闊，電法(包括瞬變電磁法和直流電法等)、磁法、地震法等在探測礦井富水區(qū)位置和范圍方面已得到廣泛應(yīng)用，取得了良好效果。以上論及的幾種物探方法在理論上均是可行的，而大量的工程實(shí)踐表明，由于物探方法的多解性，任何單一的物探方法都無法取得滿意的探測效果［1］，為此，從不同角度進(jìn)行相互驗(yàn)證的綜合物探方法更具優(yōu)越性。實(shí)踐證明，礦井瞬變電磁法和直流電法的綜合探測在井下探測工作面頂?shù)装甯凰?、巷道周圍空間不同位置含水構(gòu)造，可以取得較好的地質(zhì)效果［2－7］。本文以礦井瞬變電磁法和直流電法在單候礦6105N工作面底板的富水性綜合探測為實(shí)例，說明綜合物探可降低探測結(jié)果的多解性，在探測工作面底板富水性方面可取得良好的應(yīng)用效果。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水層

井田內(nèi)共有5個主要含水層，自下而上分別為寒武系灰?guī)r含水層、奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r含水層、侏羅系中下統(tǒng)下花園組煤系砂巖含水層、侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖含水層及第四系砂礫石含水層，其中寒武系、侏羅系及第四系均屬弱含水層。

2.2 隔水層

單侯井田在可采與奧陶系灰?guī)r頂界面之間，普遍發(fā)育一層隔水的鮞狀黏土巖、粉砂巖，該層為良好的隔水層［8］，但該層的沉積厚度不一，主要是受古地形的起伏影響，本次探測的6煤底板距離奧灰頂界面的隔水層厚度為16.35～204.89 m，平均厚65 m(見圖1)。由于隔水層厚度差距很大，給煤層底板突水創(chuàng)造了有利條件。因此，探明底板富水區(qū)域顯得尤為重要。

圖1 可采煤層與奧灰頂界面間距

3 工作面概況

6105N工作面的地面位置:南距工業(yè)廣場75 m，東距西莊村463 m。

井下位置:位于首采區(qū)東部，北為崔家寨礦與單侯礦井田邊界煤柱;西為6103N工作面，正在回采;東為6207N掘進(jìn)工作面;南為東翼皮帶大巷。

地面標(biāo)高+1070～1085 m，工作面標(biāo)高+634～+763 m。煤層整體賦存呈一向斜，掘進(jìn)中共揭露斷層5條，水文地質(zhì)條件相對其它工作面較為復(fù)雜，對回采有一定影響。工作面走向長約1095m，傾斜長約188 m。煤厚3.1～3.3 m，平均3.2 m。

4 地球物理響應(yīng)特征

從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為:煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。

綜上所述，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時，無論其含水與否，都將擾動地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井電法探測提供了良好的地質(zhì)條件［2－3］。

5 典型實(shí)例

6105N工作面底板富水性探測采用北京華安奧特科技有限公司生產(chǎn)的YCS150瞬變電磁系統(tǒng)和西安煤炭科學(xué)研究院生產(chǎn)的YDZ(A)型直流電法系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行。

5.1 瞬變電磁探測方案及成果

該儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集由微機(jī)控制，自動記錄和存儲，與微機(jī)連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。

礦井瞬變電磁探測法依據(jù)所探測的目標(biāo)及探測場地的不同有兩種方式:偶極方式和中心方式，如圖2所示。

若在井下巷道中對煤層頂?shù)装暹M(jìn)行探測時，由于巷道相對瞬變電磁探測要求的最小距離(5 m)要大的多，一般采用移動式的偶極探測方式。通過在巷道內(nèi)移動瞬變電磁系統(tǒng)和改變發(fā)射及接收線圈的方向，可以對煤層頂?shù)装宀煌较蜻M(jìn)行探測，得到一個扇形空間的探測信息。

圖2 瞬變電磁系統(tǒng)偶極及中心工作方式

對于巷道掘進(jìn)頭的超前探測而言，一般巷道掘進(jìn)頭只有幾平方米大小，既無法采用共面偶極方式，也無法采用中心方式。因此，需采用一種不共面同軸偶極方式，即發(fā)射線圈(Tx)和接收線圈(Rx)分別位于前后平行的兩個平面內(nèi)，二者相距一定距離并處于同一軸線上，如圖3所示。觀測時接收線圈貼近掌子面，軸線指向探測方向。對于巷道掘進(jìn)頭來說，探測方向分別對準(zhǔn)巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，這樣可獲得前方一個扇形空間的信息。

圖3 巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測裝置方式

本次瞬變電磁法探測采用移動式的偶極探測方式，發(fā)射電流為1 A，頻率25 Hz，發(fā)射線圈2× 2 m×64匝，接收線圈直徑0.6 m，發(fā)射—接收間距為20 m，且發(fā)射線框和接收線框?yàn)橥耆蛛x的兩個獨(dú)立線框，以便與煤層底板含水異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。

本次探測在回風(fēng)巷及進(jìn)風(fēng)巷對工作面底板進(jìn)行不同方向的探測，垂直工作面方向，底板向工作面30°、45°、60°以及垂直底板方向。如下圖4所示。

6105N工作面底板60 m深度瞬變電磁探測富水性分布圖如圖5所示。

從成果圖可看出低阻區(qū)域相對較小且較多，存在大的水體的可能性較小?？煞譃榱鶄€異常區(qū)域(如圖6)。

圖4 6105N巷道瞬變電磁探測方向圖

圖5 6105N工作面底板60 m深富水性平面分布圖

圖6 6105N工作面底板探測低阻異常區(qū)平面分布圖

5.2 直流電法探測方案及成果

為驗(yàn)證礦井瞬變電磁法探測結(jié)果，再應(yīng)用直流電法對底板進(jìn)行探測，該方法因測點(diǎn)位置靠近勘探對象，遇較小規(guī)模地電異常體則可獲得較強(qiáng)的異常響應(yīng)［9］。

直流電法探測采用與瞬變電磁法相同的探測施工順序(如圖7所示)并采用對稱四極剖面法進(jìn)行探測，其工作裝置布置如圖8所示，供電電極A、B和測量電極 M、N布置在一直線上，AMNB相對于觀測點(diǎn)O對稱布置，工作的電極A、M、N、B間距不變并沿觀測線的測點(diǎn)進(jìn)行觀測［10］。此次探測點(diǎn)距30 m，進(jìn)風(fēng)巷起始點(diǎn)位置為離聯(lián)絡(luò)巷60 m處，終止位置為910 m處，回風(fēng)巷起始點(diǎn)位置離切眼60 m處，結(jié)束點(diǎn)位置在離切眼600 m處。

圖7 直流電法探測施工順序示意圖

圖8 四級對稱剖面法布置示意圖

直流電法探測成果如圖9所示。

由圖可見:底板存在兩個相對明顯的低阻異常區(qū)域。

通過直流電法探測對礦井瞬變電磁法探測的對比驗(yàn)證可以對圖6中的六個低阻異常區(qū)做出如下解釋。

1#異常區(qū):在各深度切片圖上均有低阻反映。但在淺部向東稍有漂移。

2#異常區(qū):在深部反映相對明顯，20～30 m深度內(nèi)反映不明顯。

3#異常區(qū):各深度切片圖中均有所反映。

圖9 直流電法探測成果圖

4#異常區(qū):在本煤層內(nèi)或20 m深度范圍內(nèi)有一定的反映，深部直流電法反映相對明顯，瞬變電磁反映不明顯。

5#異常區(qū):直流電法和瞬變電磁均有反映，瞬變電磁在各深度切片圖中均有明顯的低阻反映。

6#異常區(qū):瞬變電磁探測結(jié)果在煤層內(nèi)及各深度切片中均有所反映，但直流電法反映不明顯。

6 結(jié)論

通過礦井瞬變電磁法與直流電法兩種方法的綜合探測，降低了探測結(jié)果的多解性，總結(jié)兩種方法的探測成果，可得到如下結(jié)論。

1)兩種方法探測結(jié)果可以相互補(bǔ)充各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。從探測結(jié)果看，礦井瞬變電磁探測成果與直流電法探測成果一致，綜合探測可靠性高。

2)整體上可分布6個異常區(qū)，但各自異常及干擾情況不一。1#、4#及5#異常區(qū)，受到的干擾程度較低，探測成果相對可靠，而2#、3#及6#異常區(qū)由于存在積水及金屬堆積等，對探測成果具有一定的干擾。

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