馬文豪，查文鋒

(1.山西焦煤汾西礦業(yè)集團，山西 介休 032000;2.山西陽煤集團，山西 陽泉 045000)

0 引言

山西新元煤炭有限公司新元煤礦是設計能力為600萬t/a的現(xiàn)代化礦井，主采山西組(P1s)3#煤層。西采區(qū)3#煤為該采區(qū)的首采區(qū)，該采區(qū)共包括310201、310202、310203、310204和310205共5個工作面。

310201工作面底板下100 m范圍內(nèi)分布有K7、K5砂巖層，頂板范圍內(nèi)分布有K8砂巖層。310202工作面至310205工作面底板下100 m范圍內(nèi)分布有較強賦含水層K7砂巖、K2灰?guī)r層。工作面如有構(gòu)造發(fā)育，頂?shù)装甯羲畬邮艿綌鄬訕?gòu)造的破壞，在構(gòu)造發(fā)育地段有可能順構(gòu)造破碎帶向工作面涌水，引起水害事故[1-3]。為了探查310201工作面至310205工作面3#煤層底板巖層賦水情況及工作面內(nèi)的發(fā)展趨勢，便于礦方有的放矢地開展防治水工作。2007—2011年山西新元煤炭有限公司委托煤炭科學研究院西安煤科院對首采區(qū)5個工作面進行了直流電測深井下探測。為了驗證已有數(shù)據(jù)解釋的正確性和結(jié)合各工作面數(shù)據(jù)進行綜合比較分析，總結(jié)該采區(qū)的水文物探規(guī)律。為臨近采區(qū)乃至整個井田的水文物探提供指導和參考。

不同巖性地層電性存在以下基本規(guī)律：灰?guī)r、煤層電阻率值相對較高、砂巖次之、粘土巖類最低。即泥巖、粘土巖、粉砂巖等與灰?guī)r、煤層的導電性差異明顯。

由于地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，導電性特征在縱向上有其固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一。當存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造內(nèi)不含水，則其導電性較差，使局部電阻率值增高；如果構(gòu)造含水，由于含水體具良好導電性，它與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異。

地層中一旦存在斷層、溶洞、陷落柱等含水地質(zhì)構(gòu)造，將導致地層縱向和橫向上原有電性規(guī)律的變化。這種變化特征的存在，為以導電性差異為應用基礎的電法探測技術(shù)的實施提供了良好的地球物理勘探前提。

1 直流電測深原理

如圖1所示，三極直流電測深法利用單點電源A供電，另一供電極B置于相對無窮遠處。測量電極為M、N在均勻介質(zhì)中，點電源A形成的等位面為球面，測量電極MN所測電位差是MN之間球殼的體積范圍內(nèi)電位差。若此球殼體積范圍內(nèi)有電性異常體(如含水地質(zhì)異常)存在，則其電阻率就會發(fā)生變化。因此在巷道后方通過觀測視電阻率的變化，就可以判斷巷道前方是否存在地質(zhì)異常體[4-6]。

圖1 單極—偶極法測量原理圖

單極-偶極法測量布極方式與三極測深探測裝置相似，如圖2所示。煤礦井下巷道頂、底板和煤層是由電性不同的層狀介質(zhì)組成，對于2層和3層水平層狀介質(zhì)組成的簡單地電模型，點電源在全空間中的電位表達式可用鏡像法求解，對于n層地電模型，通常采用全空間拉普拉斯方程的方法，建立多層水平層狀介質(zhì)的電位表達式[7-10]。

圖2 三極電測深裝置示意圖

設第i分層為煤層，電阻率為ρi，頂、底板由不同電阻率水平介質(zhì)組成，而ρ1和ρn層厚度為無限大，點A置于ρi層中，選取點A為坐標原點，各電性層電位函數(shù)表達式如下式(不考慮巷道影響)：

+bijeλz]J0(λr)dλ

(1)

式中：aij，bij，cij—與地層參數(shù)有關(guān)的待定系數(shù)，可由邊界條件求取；i—供電極A在ρi介質(zhì)中，i=1，2，3，…，n；j—觀測點P在ρj介質(zhì)中，j=1，2，3，…，n。

視電阻率公式

(2)

將第i層電位值代入上述視電阻率計算公式，就可得到該層在第j觀測點某一探測深度上的視電阻率變化。

2 直流電測深探測成果

2.1 統(tǒng)一坐標剖面圖

利用礦方提供的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一坐標，如圖3所示，坐標以310202巷道與西回風大巷交界為坐標原點，巷道方向為x軸正軸，310202至310205方向為y軸正方向。

由圖3可知，310205工作面存在3處相對低阻異常，其范圍分別為x軸100～600 m、1 000～1 400 m和1 700～2 090 m。其中1 700～2 090 m處與310204工作面及310203工作面相對低阻異常為連通區(qū)域；x軸1 000～1 400 m與310204工作面x軸范圍900～1 300 m相對低阻異常為連通的區(qū)域。310202工作面1 100～1 500 m范圍內(nèi)存在一處相對低阻異常，該異常與310203工作面1 350～1 550 m范圍內(nèi)相對低阻異常及西二副巷內(nèi)900～1 550 m范圍內(nèi)的相對低阻異常相連通。

圖3 多工作面統(tǒng)一坐標電阻率平面圖

2.2 三維結(jié)果顯示及分析

三維顯示結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 各巷道剖面圖

a-各巷道剖面圖與-40 m平面圖；b-各巷道剖面圖與-70 m平面圖;c-各巷道剖面與-100 m平面圖;d-各巷道剖面—-130 m平面圖圖5 各深度巷道剖面-平面圖

圖6 各深度平面圖

以西二副巷為x軸，水平面上垂直于x軸，垂直于西二正巷為y軸正方向，巷道垂直方向為z軸，西二巷距集中運輸巷2 090 m為坐標原點(0，0，0)。圖4為各巷道實測剖面圖，圖5(a)～5(d)為各巷道實測剖面圖分別于-40 m、-70 m、-100 m和-130 m深度處平面圖，圖6為-40 m、-70 m、-100 m和-130 m深度平面圖。

綜合可知，西二副巷x軸在800～1 700 m存在相對低阻異常，西二正巷x軸在1 050～1 400 m處存在相對低阻異常，深度-40 m平面圖中x軸1 150～1 500 m處、-70 m平面圖中1 050～1 600 m處、-100 m平面圖中1 000～1 500 m處均出現(xiàn)相對低阻異常，且延伸至工作面310202中，工作面內(nèi)y軸約180 m左右，推測此處異常為上下貫通，不同深度平面圖及西二正巷與西二副巷反映的為同一處異常；西三副巷x軸1 800～2 050 m處存在一處相對低阻異常，在-40 m、-70 m、-100 m和-130 m平面圖在工作面310203內(nèi)均出現(xiàn)相對低阻異常，但位置和范圍不同，但總體反映該處異常上下傾斜貫通；西四副巷x軸1 250～1 450 m處存在一處相對低阻異常，平面圖中僅-70 m平面圖存在相對低阻異常，推測該異常上下未貫通，僅深度-70 m左右存在裂隙或溶洞；西五副巷x軸700～850 m、900～1 150 m和1 200～1 300 m處存在相對低阻異常，西五正巷x軸0～550 m和1 750～2 090 m處存在兩處較大相對低阻異常，西六副巷x軸0～650 m和1 800～2 090 m處存在相對低阻異常，西五正巷和西六副巷中間部位存在多處小范圍的相對低阻異常，在-40 m、-70 m、-100 m和-130 m平面圖中對應x軸0～650 m和1 750～2 090 m處均存在相對低阻異常，該兩處異常不僅存在于工作面310205大部和310204靠近西五副巷少部分，在-40～130 m處均存在，推測上下貫通即K7砂巖和K2灰?guī)r可能被構(gòu)造或裂隙連通。

3 結(jié)論

(1)二次處理數(shù)據(jù)與一次處理數(shù)據(jù)異常范圍絕大多數(shù)能夠?qū)挥芯植糠秶行┎顒e，證明了以前數(shù)據(jù)處理的可靠性。

(2)三維圖與傳統(tǒng)二維剖面相比，三維圖能夠更準確地定位各異常的位置及空間范圍，能夠更直觀的分析各異常之間的聯(lián)系，如各異常平面上的聯(lián)系及深度范圍內(nèi)的連通性。

(3)結(jié)合各工作面和巷道的視電阻率情況，電阻率50 Ω·m以下確定為異常區(qū)。

(4)由于電透視和直流電測深兩種方法施工條件的限制，探測成果一方面并不能形成一個完整的數(shù)據(jù)體，自然存在盲區(qū)；另一方面，巷道不能到達的區(qū)域沒有探測數(shù)據(jù)，造成東南部含水區(qū)域沒有探測成果，整個評價工作不全面。