■王艷波　王　程（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司陜西西安710077）

煤礦工作面底板灰?guī)r注漿改造檢測(cè)方法研究

■王艷波王程
（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司陜西西安710077）

本文通過(guò)對(duì)一種工作面底板灰?guī)r注漿改造效果檢測(cè)方法-音頻電透視方法的介紹，說(shuō)明在受灰?guī)r水威脅的礦區(qū)，音頻電透視法是一種便捷有效的探測(cè)方法，通過(guò)實(shí)例介紹音頻電透視法在工作面富水性探測(cè)以及在注漿檢測(cè)方面的應(yīng)用效果，實(shí)踐證明礦井音頻電透視技術(shù)是可用于工作面灰?guī)r底板注漿改造檢測(cè)的有效物探方法。

音頻電透視注漿改造檢測(cè)方法

深部煤層開(kāi)采的最大威脅來(lái)自煤層底板的灰?guī)r水，采煤工作面底板巖層中隱伏的構(gòu)造如張性裂隙、陷落柱等，常是地下水的富集區(qū)或成為地下承壓水的通道，工作面回采造成的擾動(dòng)一旦波及這些隱伏含、導(dǎo)水構(gòu)造常會(huì)造成工作面涌水量增大，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生突水事故，給礦工生命和企業(yè)財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失[1]，如何查明底板內(nèi)隱伏含、導(dǎo)水構(gòu)造，提前做好防治措施，是礦井水文地質(zhì)工作者多年來(lái)不斷探索的目標(biāo)。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用音頻電透視法探查深部煤層底板的巖溶富水性，加強(qiáng)底板巖溶突水規(guī)律的研究，對(duì)安全合理地開(kāi)采煤炭資源，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1　灰?guī)r裂隙的電性特征

巖層與巖層之間、巖層與煤層之間的電阻率差異是在煤礦井下巷道中開(kāi)展直流電法的物性前提[2]。煤系地層縱向電阻率的變化規(guī)律基本一致；橫向上由于煤系地層的層狀分布，其導(dǎo)電性相對(duì)均一。含水體的導(dǎo)電性好，與圍巖會(huì)有明顯的電性差異[3]，可以通過(guò)專門的儀器測(cè)量和分析巷道或采場(chǎng)附近穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布變化規(guī)律來(lái)研究礦井地質(zhì)問(wèn)題[4,5]。音頻電透視工作面探測(cè)所涉及的巖性主要為灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、泥巖、中粒砂巖。當(dāng)均勻地層中存在含水區(qū)時(shí)，其低電性值在探測(cè)到的視電阻率中反映明顯，等值線會(huì)發(fā)生有規(guī)律的變形、圈閉等現(xiàn)象，這對(duì)于正確解釋實(shí)測(cè)電阻率資料具有重要意義。

2　音頻電透視法原理簡(jiǎn)介

礦井音頻電透視法以全空間電場(chǎng)分布理論為基礎(chǔ)[6]，利用穿過(guò)回采工作面的電流線（由供電點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)）電位降數(shù)據(jù)，采用層析成像技術(shù)來(lái)重建回采工作面內(nèi)電性變化圖像，從而確定工作面內(nèi)底板巖層電性分布規(guī)律。根據(jù)點(diǎn)電源產(chǎn)生的電場(chǎng)分布特征，可以求出全空間層狀地層模型內(nèi)任意點(diǎn)的電位表達(dá)式為：

對(duì)于井下局部地質(zhì)體的附加場(chǎng)，可用導(dǎo)電球來(lái)說(shuō)明，即電流場(chǎng)中導(dǎo)體的異?？梢越频乜醋麟娕紭O子異常，其表達(dá)式為：

在直角坐標(biāo)系中，偶極場(chǎng)的電位分布關(guān)系式為：

圖1為底板下存在含水體與不含局部水體等兩種條件下電位測(cè)量曲線的比較示意圖。

圖1　工作面底板低阻異常體探測(cè)曲線

異常幅度、寬度與異常體的大小、異常體與圍巖的電性差異及距收發(fā)面的距離等有關(guān)。異常體規(guī)模（體積與含水強(qiáng)弱的綜合反映）越大、與圍巖的電性差異越大、距收發(fā)面距離越小，異常幅度就越大；反之則越小。

音頻電透視采用單極（供電）—偶極（接收）裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖2所示，即供電極位于工作面某一側(cè)巷道內(nèi)，接地電極布置在無(wú)窮遠(yuǎn)；測(cè)量電極對(duì)（M、N極）位于工作面另一巷道內(nèi)，在與供電極對(duì)應(yīng)位置兩側(cè)一定范圍內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行扇形接收；在兩個(gè)巷道內(nèi)同時(shí)作業(yè)，依次用供電極A1、A2、…….發(fā)射不同頻率的電流，移動(dòng)測(cè)量電極M、N，對(duì)工作面進(jìn)行以發(fā)射點(diǎn)為中心的扇形掃描，達(dá)到探測(cè)工作面平面的目的。

圖2　音頻電透視工作方法

3　音頻電透視的解釋方法

音頻電透視資料解釋與處理，采用電位測(cè)量來(lái)確定電導(dǎo)率的變化“首先將觀測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)地電單元”根據(jù)點(diǎn)電源電場(chǎng)分布理論，利用數(shù)學(xué)方法，可以正演計(jì)算出地電模型每個(gè)地電單元在理論上的電位及相應(yīng)的電導(dǎo)率值，同樣根據(jù)實(shí)測(cè)的電位差可以反算各地電單元的電導(dǎo)率，考察每個(gè)地電單元的視電導(dǎo)率偏差，用平面圖表現(xiàn)出來(lái)，即可推斷解釋含水構(gòu)造及富水區(qū)的各種信息。解釋工作在分析異常特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平面曲線類比，結(jié)合鉆孔、地面調(diào)查等資料進(jìn)行綜合對(duì)比分析，從已知到未知，由點(diǎn)到線再到面的原則，進(jìn)行綜合對(duì)比解釋。

4　應(yīng)用實(shí)例

某礦1101工作面為該礦11#煤層的首采工作面，煤層底板距離奧灰20m左右，如果有裂隙導(dǎo)通奧陶系灰?guī)r含水層將會(huì)對(duì)工作面或煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大威脅，因此礦方在工作面回采前采用此技術(shù)進(jìn)行尋找鉆探靶區(qū)以及注漿后注漿檢測(cè)工作。探測(cè)工作分兩部分，第一階段，通過(guò)探測(cè)為井下探放水及注漿工作提供靶區(qū)；第二階段，通過(guò)對(duì)注漿后的工作面底板進(jìn)行二次探測(cè)，和第一次探測(cè)結(jié)果對(duì)比達(dá)到對(duì)工作面底板注漿改造工作檢測(cè)的目的。

4.1初次物探結(jié)果以及鉆孔驗(yàn)證情況

圖3是某礦1101工作面音頻電透視探測(cè)成果分析圖，其中有3處高電導(dǎo)率異常區(qū)，分別定義為1~3號(hào)異常，其中縱坐標(biāo)為巷道切眼深度，橫坐標(biāo)為工作面巷道位置。在音頻電透視施工完成后，礦方根據(jù)音頻電透視異常位置布置鉆孔，共布設(shè)鉆孔21個(gè)，部分鉆孔位置及出水情況如圖3和表3所示，其中1號(hào)異常區(qū)和2號(hào)異常區(qū)在進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證的過(guò)程中多個(gè)鉆孔出水較多，出水量較大。

通過(guò)鉆孔驗(yàn)證表可以看出，在音頻電透視異常圖上圈定的物探異常通過(guò)鉆探驗(yàn)證基本上都有出水現(xiàn)象存在，而在物探異常區(qū)未圈定區(qū)域也布設(shè)了一定量的鉆孔（補(bǔ)2#孔），但并未有出水現(xiàn)象出現(xiàn)。說(shuō)明音頻電透視資料較好的反應(yīng)了煤層底板含賦水情況。

4.2底板注漿利用音頻電透視檢測(cè)效果分析

在1101工作面注漿改造完成后，利用音頻電透視技術(shù)又對(duì)該工作面的注漿效果進(jìn)行了檢測(cè)，圖4為音頻電透視注漿檢測(cè)效果圖。

如圖3所示，1101工作面進(jìn)行的音頻電透視注漿檢測(cè)成果圖中該工作面僅有一個(gè)主要異常區(qū)存在，命名為1號(hào)異常，1號(hào)異常和注漿前探測(cè)成果中的3號(hào)異常位置對(duì)應(yīng)，異常成條帶狀分布，異常的范圍較小，幅值在運(yùn)輸順槽一側(cè)較強(qiáng)。在音頻電透視探測(cè)成果圖中的1、2號(hào)異常區(qū)由于注漿治理，異常范圍和異常幅值已明顯減弱。在注漿前、后地層電導(dǎo)率特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表2所示（表中電導(dǎo)率值越大說(shuō)明煤層底板導(dǎo)水情況越好）。

通過(guò)對(duì)兩次探測(cè)資料和注漿前、后異常特征參數(shù)分析認(rèn)為，在注漿后整個(gè)工作面的視電導(dǎo)率值明顯降低，說(shuō)明注漿后工作面的導(dǎo)水性變差，隔水性變好。在音頻電透視探測(cè)成果圖中的1、2號(hào)異常區(qū)由于注漿治理，異常范圍和異常幅值已明顯減弱，說(shuō)明注漿后，該層段賦水性有明顯減弱。3號(hào)異常雖然依然存在但異常范圍和幅值也已明顯減弱。后通過(guò)鉆孔及回采資料驗(yàn)證，1號(hào)異常在回采時(shí)煤層頂板有小范圍的滴淋水現(xiàn)象出現(xiàn)，分析認(rèn)為該異常為頂板砂巖相對(duì)賦水區(qū)，通過(guò)初步治理后工作面已實(shí)現(xiàn)順利回采。

圖3　工作面底板探測(cè)后部分打鉆及注漿分布圖

表1　部分鉆孔泄水情況統(tǒng)計(jì)表

圖4　工作面底板下40m范圍內(nèi)注漿檢測(cè)低阻異常分布圖

表2　注漿前、后異常特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

5　結(jié)語(yǔ)

（1）礦井音頻電透視技術(shù)用于工作面水文地質(zhì)條件探查，可有效地預(yù)測(cè)工作面底板下的含水異常體，提高了工作面開(kāi)采的安全性。

（2）音頻電透視技術(shù)是一種較好的工作面底板注漿效果檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)工作面注漿前后資料進(jìn)行對(duì)比分析，可以為工作面的安全順利回采提供參考資料。

（3）單一利用一種手段在煤礦井下進(jìn)行防治水工作可能會(huì)存在漏洞，結(jié)合鉆探資料對(duì)物探資料進(jìn)行異?？煽啃栽u(píng)價(jià)會(huì)對(duì)工作面防治水工作產(chǎn)生更好的應(yīng)用效果。

[1]張軍,王勇,秦鴻剛,等.礦井音頻電透視在礦井工作面探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào).2013,（04）:551-554.

[2]李振峰,馮磊,陳天振,等.音頻電透視儀在鐵礦巷道中的試驗(yàn)效果[J].地球物理學(xué)進(jìn)展.2005,（02）:446-449.

[3]王素貞.高分辨直流電法在礦井水文地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用[J].江西煤炭科技.2005,（03）:17-18.

[4]武杰,劉樹(shù)才,劉志新,等.應(yīng)用三極斷面測(cè)深技術(shù)探測(cè)井下含水構(gòu)造[J].中國(guó)煤田地質(zhì).2003,（03）.

[5]李冬林,姜振泉,楊棟梁.煤層底板音頻電透視探測(cè)成果反映的底板阻水條件[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào).2005,（03）:68-71.

[6]曾方祿,王永勝,張小鶴,等.礦井音頻電透視及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探.1997,（06）.

X752[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-209-2

王艷波（1981～），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡姶欧碧郊夹g(shù)。