李松峰 李永軍 魏軍軍

(1.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031 2.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601;3.山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜 273100)

0 引言

水害是影響礦井安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。近年來，我國大部分礦井進(jìn)入了深部開采，受深部奧灰?guī)r溶高壓水的威脅越來越嚴(yán)重，查明采掘工作面底板巖溶富水異常區(qū)位置是煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的水害問題。

電法勘探是以地殼中巖(礦)石的電(磁)性質(zhì)的差異為主要的物理基礎(chǔ)，利用電(磁)場(天然和人工的)的空間和時間的分布規(guī)律，研究地質(zhì)構(gòu)造和尋找有用礦產(chǎn)的一組地球物理勘探方法——電法。本探測方法的物理基礎(chǔ)是巖、礦石的導(dǎo)電性、激電性(電化學(xué)特性)，介電性、導(dǎo)磁性。

近年來，煤礦生產(chǎn)中越來越多的用到了電法勘探，以幫助我們認(rèn)識生產(chǎn)工作面、迎頭、掘進(jìn)面的具體水文地質(zhì)情況。筆者于2012年4月28日，在寶泰隆集團(tuán)一礦采用高密度電法對右一片平巷掘進(jìn)巷道迎頭進(jìn)行了超前探測，對測量范圍內(nèi)的富水區(qū)域進(jìn)行了劃分，探測結(jié)果與鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 礦井電法勘探的基本原理

1.1 YDJ256礦用澆封兼本安型高密度電法儀介紹

YDJ256礦用澆封兼本安型高密度電法儀是華北科技學(xué)院礦井水害防治研究所研發(fā)中心，即北京華安奧特科技有限公司研發(fā)的電法類礦用探測儀器。它采用高密度電法原理，采用正統(tǒng)交流放電，具有自適應(yīng)性放電及采集功能，尤其是具有抗干擾性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，井下及天然場電流對它影響較小，探測可靠性較高。并具有探測成果自動成圖系統(tǒng)。

圖1 YDJ256礦用澆封兼本安型高密度電法探測儀

YDJ256礦用澆封兼本安型高密度電法儀的主要優(yōu)勢:

1.1.1 抗干擾數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

此技術(shù)采用交流電放電法，可適應(yīng)具有自然電場及人工電場等復(fù)雜條件下，采集儀器自身放出的電壓及電流。其它干擾電場通過過濾系統(tǒng)過濾掉，使采集系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾性能，可應(yīng)用小電流及低電壓完成一般儀器所采用的較高電壓及電流才能做到的探測效果。

從礦井安全角度出發(fā)，小電流及小電壓不易形成放電火花，對儀器的本質(zhì)安全意義重大。本儀器可采用十幾伏電壓，電流可用幾毫安即可達(dá)到較為理想的探測結(jié)果。

1.1.2 探測成果自動即時成圖系統(tǒng)

目前，我國有很多礦井已配備了相當(dāng)數(shù)量的各種地質(zhì)及物探設(shè)備，但大部分礦井應(yīng)用效果相對較差，有近70%的礦井儀器應(yīng)用不到半年就存放在倉庫中。其原因最重要的一個就是儀器操作及數(shù)據(jù)處理復(fù)雜程度太高，要求的操作及處理解釋人員素質(zhì)較高，經(jīng)驗(yàn)較豐富，物探理論水平較高。而目前各礦井這樣的人才往往少之又少，基本達(dá)不到這個要求。

探測成果自動即時成圖系統(tǒng)，已完成了部分集理論、經(jīng)驗(yàn)及儀器操作于一體的探測成果自動即時成圖系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)兩部分。由物探理論結(jié)合某個礦井的實(shí)際探測經(jīng)驗(yàn)，讓硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)測量電壓及電流，使探測系統(tǒng)具有自適應(yīng)性。實(shí)際數(shù)據(jù)采集時，儀器會根據(jù)測試結(jié)果，選擇最佳放電電壓及電流，使采集到的數(shù)據(jù)最為理想，探測效果最優(yōu)化。在此基本上，軟件系統(tǒng)則可對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動即時成圖。而不用把數(shù)據(jù)帶上井后下載數(shù)據(jù)進(jìn)行人工處理和解釋。讓儀器或計(jì)算機(jī)自動完成處理及解釋，大大降低了儀器操作、數(shù)據(jù)處理對人員素質(zhì)的高要求。可讓人人都可用，人人都會用。

1.2 儀器主要用途

用于礦井巷道掘進(jìn)迎頭前方構(gòu)造(斷層、破碎帶、陷落柱等)和賦水性的超前探測;巷道底板、側(cè)幫富水性及構(gòu)造探測;注漿效果的跟蹤監(jiān)測等。

2 直流電法與瞬變電磁法區(qū)別

直流電法與井下瞬變電磁法相比而言，直流電法更加成熟，從施工方法到數(shù)據(jù)處理到解釋技術(shù)都比較完善，在實(shí)踐中，早已證明其在探水工作中的有效性。而瞬變電磁法基于煙圈理論，這使得瞬變電磁法具有方向性，對于探水工作是很有利的。

對比兩種方法，直流電法施工過程比較復(fù)雜，工作效率低;而瞬變電磁法施工簡單，工作效率較高。

從對探測條件的要求來說，直流電法要求條件相對寬松，只要求迎頭位置沒有較大的水域，可以穩(wěn)定的固定電極即可;但是瞬變電磁法，對金屬體的抗干擾能力較差，要求迎頭必須清理出10 m區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，不能有采掘機(jī)等大型金屬設(shè)備，不能積水。

3 實(shí)例分析

3.1 探測方案

本次井下探測工作于4月28日在一礦右一片平巷掘進(jìn)巷道進(jìn)行，采用三級超前探測對迎頭前方70 m范圍內(nèi)巖體富水性進(jìn)行探測;從迎頭處向頂板布設(shè)電極裝置為四極法以探測頂板上方巖體富水性。本次探測電極間距為4 m，(由于本次所帶電極線長度較短，探測深度只能達(dá)到超前探距70 m，頂板及側(cè)幫探測深度40 m)，布置方案(裝置)如圖2、3所示。

圖2 超前探測現(xiàn)場布置裝置圖

圖3 四極法頂板探測現(xiàn)場施工布置框圖

3.2 探測成果分析

探測數(shù)據(jù)經(jīng)過干擾信號的剔除、近場源的校正及反演處理，對視電阻率剖面進(jìn)行深度標(biāo)定［4］，通過對巷道底板巖層含水性進(jìn)行解釋，圈定主要含水層的富水區(qū)。圖4是一礦右一片平巷三極法超前探成果圖，圖5是一礦右一片平巷四極法勘探成果圖。

從探測成果圖4中可看出:整體上迎頭前方50m范圍內(nèi)巖體電阻率值較低，在20 m內(nèi)、26 m、34 m、44～50 m、56 m段，說明巖體有不同程度的富水性，但富水程度較弱，實(shí)際掘進(jìn)過程應(yīng)可能會出現(xiàn)頂板滴淋水現(xiàn)象，應(yīng)堅(jiān)持探放水十六字原則，“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”。

從探測成果圖5中看出，頂板上方出現(xiàn)兩個低阻異常區(qū)，1#異常區(qū)位于48～70 m區(qū)域深度15 m左右層位;2#異常區(qū)位于迎頭后方40 m處深度30～40 m范圍，且低阻區(qū)域有向深部延伸趨勢。

圖4 一礦右一片平巷三極法超前探成果圖

圖5 一礦右一片平巷四極法勘探成果圖

4 結(jié)論及建議

1)通過YDJ256礦用澆封兼本安型高密度電法探測儀在寶泰隆集團(tuán)一礦右一片平巷的示范性應(yīng)用，證實(shí)該方法在探測工作面底板富水性方面是非常有效的物探方法。能為布置探放水鉆孔位置提供依據(jù)，并通過探放水鉆孔提前疏放異常區(qū)內(nèi)的水，確保工作面安全回采。

2)該方法儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點(diǎn);探測裝置輕便，具有自動即時成圖系統(tǒng)，工作效率高。

［1］ 張賽珍，王慶乙，羅延中.中國電法勘探發(fā)展概況［J］.地球物理學(xué)報，1994，(37):408－424

［2］ 倪良高，羅子付.礦井瞬變電磁法在煤礦防治水工作中的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)與管理，2007，(1):54－55

［3］ 王劍峻.單侯礦井滯后突水原因分析［J］.中國礦山工程，2007，36(2):28 －31

［4］ 張敬寶.淺談瞬變電磁法在煤礦探測底板含水性中的應(yīng)用［J］. 科技信息，2007，(28):275