劉建國
(中國煤炭地質(zhì)總局 物測隊,河北 邢臺 054000)
防治水一直是煤礦安全生產(chǎn)的一項重要前提工作,隨著技術的發(fā)展和煤礦生產(chǎn)的需求,物探方法在煤礦防治水等工作中的應用愈來愈廣泛,已作為煤礦防治水細則中要求的一項必要工作,通過利用各種物探方法手段,探測斷層、陷落柱等構(gòu)造的賦存情況,探查煤層頂?shù)装甯凰闆r,用以防止和減少水患事故。目前常用于解決煤礦水患問題的井下物探方法有,瞬變電磁法、直流電測深法及音頻電透視等方法。此次采用音頻電透視法對煤礦回采工作面頂板水的探測開展工作。
此次音頻電透視法所探測工作面構(gòu)造簡單,煤層構(gòu)造形態(tài)為向西的緩傾單斜構(gòu)造,煤層單一穩(wěn)定,工作面直接頂為油頁巖。根據(jù)以往地質(zhì)資料可知,工作面煤層上覆巖層為直接充水含水層。工作面開采時,局部區(qū)域頂?shù)装寮懊罕诳赡軙霈F(xiàn)少量淋水滲水現(xiàn)象,水源主要來自頂板裂隙淋水。
各類巖層具有各自不同的電阻率(或電導率),電法勘探就是通過探測井下不同位置巖層的電阻率(或電導率) 的差異來達到探查目標地質(zhì)體的工作任務。在同一巖層內(nèi),電性分布相對均勻,而巖層的富水將對其電阻率(或電導率) 的高低情況起到?jīng)Q定性作用。若是巖層中不無水,則其導電性較差,使局部電阻率值增高(電導率值下降);當巖層中含水時,因為礦井水的礦化度較高,所以巖層導電性較好,進而使局部電阻率值降低(電導率值升高)。音頻電透視法即是通過專業(yè)儀器測量井下不同巖礦石之間導電差異影響的人工電場的分布形態(tài),記錄其分布規(guī)律,用以解決相關地質(zhì)問題。因此可采用音頻電透視法探測煤層頂板巖層視電導率值變化規(guī)律,推斷解釋頂板巖層富水分布情況。
音頻電透視法探測測點間距為10 m,發(fā)射點間距為50 m,測點從工作面兩巷停采線開始布置至切眼,分別布置在工作面運輸巷及回風巷內(nèi)幫。工作中在發(fā)射點對應巷道中進行扇形采集接收數(shù)據(jù)。音頻電透視法數(shù)據(jù)采集測點布置如圖1 所示。
圖1 音頻電透視法數(shù)據(jù)采集測點布置示意Fig.1 Arrangement of data acquisition and measurement points of audio frequency electrofluoroscopy
音頻電透視法數(shù)據(jù)處理解釋采用層析成像法,采用穿過回采工作面的沿諸多電場線的電位降數(shù)據(jù)來建立工作面電性變化圖像。
設X 為供電點與測量點之間的連線,U為電位降,可以證明:
式中:δ(x,y) 為電性參數(shù)(是x,y 的位置函數(shù));C為調(diào)節(jié)系數(shù)。其中求取電導率值為視電導率值,它與真實電導率差異較大,是因為在CT 反演中對調(diào)節(jié)系數(shù)C的選取不同,可在數(shù)據(jù)處理時進行設置,以獲得不同大小的視電導率值,但數(shù)據(jù)的改變是整體同步變大或變小,不影響對相對富水區(qū)的判定。本次計算的視電導率較大,是人為調(diào)整而成,其原因是反演的視電導率值一般較小,在成像表達過程中,利用顏色有時難以區(qū)分,故為便于清晰識別異常區(qū),通過改變C值,同步放大了視電導率值。
現(xiàn)將整個研究范圍分為J個單元來考慮(J=M×N),如圖2 所示將所研究的問題離散化。假設第j 條射線穿過I個單元,則第j條射線上的電位降表達式為:
圖2 單元剖分Fig.2 Unit subdivision
式中:rj,i分別為第j條射線位于第I單元內(nèi)的長度,各單元序號是x,y 的位置函數(shù);δj,i為第I 個單元內(nèi)的電性參數(shù)。
將所有各射線建立方程,則有:
則所有問題轉(zhuǎn)化為根據(jù)數(shù)據(jù)來計算δ 的值。采用多次迭代的近似值法來求其近似解。
此次成果按照以下解釋原則進行:解釋參數(shù)為視電導率,不是地質(zhì)體真實的電導率,在量級上兩者有較大差異,但不影響對良導介質(zhì)(如含水體)分布范圍的判定。CT 成像圖用顏色劃分,分級越多,越能精細地劃分電性變化規(guī)律。在數(shù)據(jù)資料分析過程中,劃分級別參考了相關地質(zhì)資料,以便音頻電透視成果資料更加符合實際情況。
通常情況下,由于地層巖性相對均一,相同頻率建立的人工電場觀測得到的視電導率值越高,表明該區(qū)域地層導電性越好,富水可能性也就越強。因此按照頻率域電場理論及實際工作經(jīng)驗,推斷高頻率視電導率探測結(jié)果的有效探測距離為0~50 m巖層段;低頻率視電導率探測結(jié)果的有效探測距離為50~100 m 巖層段。
根據(jù)此次音頻電透視成果(圖3~圖4) 可知,工作面頂板上0~50 m、50~100 m 范圍內(nèi)地層的綜合視電導率值一般為1~12(S/m),其中頂板上0~50 m 范圍有2 處明顯視電導率值≥14(S/m)的異常條帶,依據(jù)上述視電導率閾值標準,推斷存在YC1 及YC2 兩處電性異常區(qū)。工作面頂板上50~100 m 無明顯異常區(qū)域(坐標原點為工作面運輸巷與停采線交點處,原點垂直指向切眼方向為x軸正方向,垂直指向工作面回風巷為y 軸正方向,定義坐標(x,y),表示異常區(qū)范圍在x、y 軸方向上的位置)。
圖3 工作面頂板上0 ~ 50 m音頻電透異常分布Fig.3 Abnormal distribution of 0~50 m audio electrotransmission on the working face roof
圖4 工作面頂板上50 ~ 100 m音頻電透異常分布Fig.4 Abnormal distribution of 50~100 m audio electrotransmission on the working face roof
推斷分析認為YC1 應為頂板砂巖弱富水所致(回風巷2 450 ~2 500 m 段,回風巷向工作面0~55 m),分析認為YC2 對應的運輸巷位置停放有部分機械設備,因此該異??赡転楦蓴_影響所致(運輸巷3 110~3 190 m段,運輸巷向工作面0~100 m)。
(1) 此次解釋的富水異常區(qū)的判定是基于音頻電透視法探測的反映結(jié)果,從探測成果中可看出,音頻電透視法對于煤層頂板上視電導率較高區(qū)域的特征反映比較明顯,能夠識別出煤層頂板上的富水異常區(qū)。
(2) 音頻電透視資料反映的均是地層含水性的靜態(tài)特性,在煤層開采時,煤層附近隨著地應力的急劇變化,會使原生裂隙增大或產(chǎn)生新的裂隙,這將會導致裂隙水的賦存狀態(tài)、位置也隨之發(fā)生變化。
(3) 由于音頻電透視法為間接探測手段,并且由于井下巷道中電纜、金屬管道、皮帶架、機電設備等干擾因素的存在,對解釋成果有一定的影響。