李宏澤，趙 磊，周官群，陳興海，李洪明，楊玉冰，曹 煜，王宗濤

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001；2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230000；3.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，合肥 230000；4.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230000)

0 引言

直流電法超前探測(cè)方法是解決煤礦巷道掘進(jìn)前方富水異常的重要物探方法之一，在我國(guó)礦井物探中有著近30年的發(fā)展歷史，是《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水細(xì)則》等煤礦相關(guān)技術(shù)規(guī)程中推薦的成熟技術(shù)[1]，其基本原理是基于球殼理論，根據(jù)巷道后方供電點(diǎn)電源所形成的電場(chǎng)分布，在巷道內(nèi)測(cè)試不同位置電位異常并依據(jù)球殼等位面特征，將后方測(cè)試的異常對(duì)應(yīng)到前方地質(zhì)體的超前解釋中。

即便如此，由于煤礦屬于沉積巖地層，地層為層狀分布，與球殼理論的均質(zhì)體模型有較大差異，在實(shí)際工程案例中探測(cè)準(zhǔn)確率有待提高，很多專家學(xué)者對(duì)此方法的原理及有效性提出了質(zhì)疑，黃俊革等[2]計(jì)算了無限大板狀體模型，結(jié)果顯示僅利用視電阻率極值解釋前方異常位置難度較大，認(rèn)為該方法在理論上有待進(jìn)一步研究和探討;張平松[3]等認(rèn)為球殼理論在超前探中扔具有諸多問題，有待進(jìn)一步研究和探討；程久龍[4]等指出了以三極法為主的直流電法超前探對(duì)含水小構(gòu)造的探測(cè)能力仍然需要進(jìn)一步的探討，直流三極法對(duì)掘進(jìn)工作面后方地質(zhì)情況控制作用好，且對(duì)前后方異常具有可分性，因此與其他方法的綜合探測(cè)、聯(lián)合反演是其發(fā)展方向。李飛等[5]通過理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)際工程案例，表明直流電法巷道掘進(jìn)工作面超前探測(cè)方法探測(cè)精度和分辨率均較低，成果圖中難以有效識(shí)別異常體的大小和位置，方法有待進(jìn)一步研究;羅國(guó)平[6]通過球體解析解計(jì)算、地面相似性試驗(yàn)和實(shí)例分析，結(jié)論為該方法解釋結(jié)果與實(shí)際相差較遠(yuǎn);強(qiáng)建科等[7]通過解析解和三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)后方視電阻率曲線單調(diào)下降，無法判斷異常體位置;王鵬[1]等通過均勻全空間中點(diǎn)電源對(duì)板狀體和球體的電場(chǎng)分布為基礎(chǔ)開展的理論分析和數(shù)值模擬的方式說明了直流電法超前探中對(duì)前方的地質(zhì)體有響應(yīng)，但信號(hào)較弱，需通過高精度儀器及異常提取方式進(jìn)行捕捉定位，超前探測(cè)的原理正確。

實(shí)際上直流電法超前探測(cè)數(shù)據(jù)的處理不僅僅是將后方的低阻異常鏡像至巷道前方進(jìn)行解釋，還需要進(jìn)行巷道空腔和后方局部不均勻體影響校正[8-12]和空間交匯[13]的處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正;在異常響應(yīng)較弱的情況下，還需要進(jìn)一步進(jìn)行弱信號(hào)的提取，并通過建立異常位置和真實(shí)位置之間的經(jīng)驗(yàn)公式來對(duì)異常位置加以校正[14-15]，才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。

目前的直流電法超前探測(cè)成果異常劃分主要是圈定相對(duì)異常，且同一區(qū)域的閾值主要根據(jù)大量工程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，如新集礦區(qū)電法超前探的經(jīng)驗(yàn)值為10Ω·m。經(jīng)驗(yàn)值的得出源于同一礦區(qū)的地質(zhì)條件類似，探測(cè)結(jié)果才有類比性和參考價(jià)值。基于此，將同一礦區(qū)的基本地質(zhì)條件及地球物理背景場(chǎng)明確后，再以此為基礎(chǔ)，利用正演的方法，設(shè)置巷道前方不同的富水性異常模型，進(jìn)行模擬，進(jìn)而推測(cè)出一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)閾值，對(duì)探測(cè)成果具有一定的參考價(jià)值。文章以新集礦區(qū)口孜東礦5煤為研究對(duì)象，進(jìn)行分析研究。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層情況

口孜東礦位于淮南煤田西部，陳橋背斜的南翼西段，總體為一不完整向斜構(gòu)造，南翼被F1逆推斷層切割，地層傾角平緩，一般20°左右。次一級(jí)褶曲不發(fā)育，僅在F1推覆體的斷夾塊內(nèi)發(fā)育不對(duì)稱緊密褶曲。

1.2 水文地質(zhì)情況

松散層賦存特征相似，自上而下劃分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底部“紅層”共七個(gè)含(隔)水層組。其中三含砂層厚度較大，富水性中等～強(qiáng)。據(jù)抽水試驗(yàn)資料：?jiǎn)挝挥克縬=0.355～3.627L/(s· m)，滲透系數(shù)k=3.47～7.25m/d，水質(zhì)為HCO3-Na或HCO3·Cl-Na型，是礦區(qū)主要供水含水層之一。紅層和三隔下段富水性極弱甚至無水，可作為新生界底部復(fù)合隔水層(組)，能有效阻隔新生界三含與基巖含水層間的水力聯(lián)系。

2 5煤頂?shù)装灞尘皥?chǎng)的獲取

巷道頂?shù)装宓膸r性組合直接影響直流電法超前探的探測(cè)結(jié)果，必須確定地層的巖性組合特征及電阻率值，但實(shí)際煤層頂?shù)装逵休^多地層，同時(shí)地層厚度在同一礦區(qū)也有一定的變化，不可能完全統(tǒng)計(jì)清楚，需對(duì)相似地層進(jìn)行合并簡(jiǎn)化，以減小數(shù)值模擬工作量。

以井田內(nèi)典型鉆孔的測(cè)井資料作為依據(jù)，將測(cè)井電阻率值相近的地層合并為一個(gè)地層，再將地層厚度相加作為最終合并地層的厚度。

2.1 各層電阻率的獲取

各地層電阻率獲取的直接方法是巖石的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，但巖樣取出后，應(yīng)力釋放，同時(shí)巖樣在制樣過程中的切割等操作會(huì)導(dǎo)致巖樣表面溫度升高，進(jìn)一步導(dǎo)致所測(cè)得的巖樣電阻率較實(shí)際值偏高；故巖石的原位電阻率測(cè)試方法獲得的電阻率值最接近巖石真實(shí)電阻率值，利用巖石頂?shù)装宓奶椒潘@孔，進(jìn)行小四極的孔內(nèi)電阻率測(cè)試，獲取各巖層的電阻率結(jié)果。圖1為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆孔電阻率實(shí)測(cè)裝置，結(jié)合測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)的厚度信息，得到簡(jiǎn)化后的測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 口孜東礦5煤頂?shù)装宓貙咏M合特征Table 1 Coal Nio.5 roof and floor strata assemblage features in Kouzidong coalmine

圖1 孔內(nèi)電阻率測(cè)試裝置Figure 1 Borehole resistivity measuring installation

2.2 含水巖層飽水電阻率

由于礦井水的礦化度較高，電阻率低，含水層在含水情況下的電阻率遠(yuǎn)低于實(shí)際電阻率，數(shù)值模擬所用低阻模型電阻率應(yīng)參考巖石在飽水情況下的電阻率作為邊界值。口孜東礦5煤頂?shù)装搴畬又饕獮轫敯?0m左右的細(xì)砂巖含水層及底板53m以下的中粗砂巖含水層，取這兩層的砂巖水，并將巖心(直徑為40mm，長(zhǎng)度為15mm的圓柱體)浸泡其中，使其飽水，測(cè)定飽水情況下的砂巖電阻率，圖2為巖石樣本在砂巖水中浸泡不同時(shí)間的電阻率變化曲線，通過測(cè)量，頂板細(xì)砂巖飽水后的電阻率最終穩(wěn)定在約30Ω·m，底板中粗砂巖飽水后的電阻率最終穩(wěn)定在約6Ω·m，接近浸泡溶液的電阻率。

圖2 5煤頂?shù)装迳皫r樣本不同時(shí)間下的電阻率值Figure 2 Coal roof and floor sandstone sample resistivity under different times

2.3 地質(zhì)-地電模型的建立

通過對(duì)頂?shù)装鍘r層的合并及電阻率測(cè)定，最終獲得口孜東礦5煤頂?shù)装?0m范圍內(nèi)合并后巖層的地質(zhì)-地球物理模型，見表2。

表2 口孜東礦5煤頂?shù)装鍘r性組合特征Table 2 Coal No.5 roof and floor lithologic assemblage features in Kouzidong coalmine

3 數(shù)值模擬及閾值的判定

共設(shè)置 6種直流電法正演模型，模型參數(shù)見表3，其中巷道尺寸：3m×3m×300m，電極數(shù)64個(gè)，電極間距4m，巷道空腔電阻率10 000Ω·m。5煤主要含水層為頂板15m以上、厚度為17m的砂巖及底板下50m處、厚度13m的中粗砂巖，含水層設(shè)定分別以這兩層砂巖為主。

表3 正演模型參數(shù)Table 3 Forward model parameters

5煤頂板含水層為細(xì)砂巖，距5煤頂板h1=20m，5煤底板含水層為中粗砂巖，距5煤底板h2=53m。模型示意圖見圖3。

圖3中6種模型模擬結(jié)果見圖4至圖9。

圖3 正演模型參數(shù)Figure 3 Forward model parameters

1)地層不含水模擬結(jié)果。圖4為5煤頂?shù)装宓貙硬缓闆r下的直流電法超前探測(cè)模擬結(jié)果，由圖4可見，前方電阻率值分布在80～150Ω·m。

圖4 5煤地層不含水電法超前探測(cè)模擬結(jié)果Figure 4 Coal No.5 strata moisture-free electric advanced detection simulated result

2)頂板含水層含水模擬結(jié)果。圖5為5煤頂板含水層飽水情況下的直流電法超前探測(cè)模擬結(jié)果，由圖5可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在38～68Ω·m，在巷道前方18～100m電阻率值降低，其中18m～40m處電阻率值最小，最小值為35Ω·m。低阻區(qū)位置與實(shí)際煤層頂板與頂板細(xì)砂巖垂直距離大致相等，但探測(cè)的低阻值比實(shí)際細(xì)砂巖飽水時(shí)高。

圖5 5煤頂板含水電法超前探測(cè)模擬結(jié)果Figure 5 Coal No.5 roof water-bearing electric advanced detection simulated result

3)底板含水層含水模擬結(jié)果。圖6為5煤底板含水層飽水情況下的直流電法超前探測(cè)模擬結(jié)果，由圖6可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在36～100Ω·m，在巷道前方39～100m電阻率值降低，其中45～68m處電阻率值最小，最小值為38Ω·m。低阻區(qū)位置與實(shí)際煤層底板與底板中粗砂巖垂直距離大致相等，探測(cè)的低阻值比實(shí)際細(xì)砂巖飽水時(shí)高。

圖6 5煤底板含水電法超前探測(cè)模擬結(jié)果Figure 6 Coal No.5 floor water-bearing electric advanced detection simulated result

4)頂?shù)装搴畬油瑫r(shí)含水模擬結(jié)果。圖7為5煤頂?shù)装搴畬语査闆r下的直流電法超前探測(cè)模擬結(jié)果，由圖7可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值整體降低，電阻率值分布在36～100Ω·m，巷道前方10～100m電阻率值降低，其中45～68m處電阻率值最小，最小值為35Ω·m。比實(shí)際巖層電阻率值高。

圖7 5煤頂?shù)装搴姺ǔ疤綔y(cè)模擬結(jié)果Figure 7 Coal No.5 roof and floor water-bearing electric advanced detection simulated result

5)頂板局部含水模擬結(jié)果。圖8為5煤頂板局部含水情況下的直流電法超前探測(cè)模擬結(jié)果，由圖8可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在60～150Ω·m，在巷道前方44～100m電阻率值降低，其中44～68m處電阻率值最小，最小值為60Ω·m。低阻區(qū)位置與模型設(shè)置基本一致，但電阻率值比實(shí)際值高。

圖8 5煤頂板局部含水電法超前探測(cè)模擬結(jié)果Figure 8 Coal No.5 roof local water-bearing electric advanced detection simulated result

6)底板局部含水模擬結(jié)果。圖9為5煤底板局部含水情況下的直流電法超前探測(cè)模擬結(jié)果，由圖9可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在60～150Ω·m，在巷道前方44～100m電阻率值降低，其中70～100m處電阻率值最小，最小值為65Ω·m。低阻區(qū)位置與模型設(shè)置基本一致，但電阻率值比實(shí)際值高。

圖9 5煤底板局部含水電法超前探測(cè)模擬結(jié)果Figure 9 Coal No.5 floor local water-bearing electric advanced detection simulated result

7)低阻閾值的確定。巷道掘進(jìn)過程中遇到的水害類型主要有頂?shù)装迳皫r水、灰?guī)r水、老空水、斷層水及陷落柱內(nèi)的水等，一般情況下，砂巖含水靜儲(chǔ)量小，易疏干，不會(huì)發(fā)生突水等災(zāi)害性事故，容易致災(zāi)的水害為空腔內(nèi)的水源，最需防范。由數(shù)值模擬結(jié)果可見，煤層頂?shù)装迳皫r不含水情況下，超前探測(cè)結(jié)果整體電阻率大于90Ω·m，隨著頂?shù)装迳皫r的含水，會(huì)在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻響應(yīng)，以頂?shù)装迳皫r全部飽水情況下的電阻率值最低，小于35Ω·m，故當(dāng)超前探測(cè)結(jié)果電阻率值小于35Ω·m時(shí)，引起低阻響應(yīng)的原因不僅僅來自于頂?shù)装宓纳皫r水，需引起重視。

4 結(jié)果驗(yàn)證

探掘驗(yàn)證資料以口孜東礦140502工作面風(fēng)巷T20點(diǎn)北55m超前探為例。

1)地質(zhì)概況。該巷道南自西140502工作面風(fēng)巷前段(T8點(diǎn)北37.73m)撥門按平巷揭5煤后跟煤層向北施工，西鄰24勘探線，東鄰DF23正斷層，對(duì)應(yīng)地表主要為村莊、農(nóng)田與河流。

2)煤層控制情況。該巷道撥門位置位于5煤及其頂板巖層中。根據(jù)鄰近地質(zhì)勘探鉆孔實(shí)揭資料，結(jié)合地質(zhì)超前探查鉆孔資料綜合分析，該區(qū)該段5煤厚約6.25m；5煤距下部4-2煤層間距離約11.35m，其中4-2煤厚度約為2.51m。

3)地質(zhì)構(gòu)造情況。施工范圍內(nèi)巖層總體為一單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀218°∠8°～18°，沿巷道掘進(jìn)方向巖層剖面南傾6°～16°，斷面東傾1°～4°。該巷道在掘進(jìn)過程中將揭露正斷層FS3 150°∠55°H=3m。

4)水文地質(zhì)及構(gòu)造情況。140502風(fēng)巷距上覆新生界松散層底界面高度介于71.1m～352.5m，工作面掘進(jìn)不受新生界松散層孔隙水及風(fēng)氧化帶含水層影響。

140502風(fēng)巷將臨近DF23斷層(落差29m～130m)掘進(jìn)，下盤可能對(duì)接灰?guī)r含水層，斷層存在出水風(fēng)險(xiǎn)。工作面上覆導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)5煤頂板砂巖含水層厚14.7m，巖性以細(xì)砂巖為主，裂隙發(fā)育，總體屬靜儲(chǔ)量型，易疏干，在裂隙發(fā)育地段可能會(huì)出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象，對(duì)巷道掘進(jìn)有一定影響。掘進(jìn)期間將穿過FS3正斷層，該斷層落差較小，該斷層對(duì)巷道掘進(jìn)無水害威脅。巷道將從24-3、23-11鉆孔附近穿過，上述鉆孔封閉良好，故鉆孔水對(duì)巷道掘進(jìn)無水害威脅。鉆孔水對(duì)巷道掘進(jìn)無水害威脅。

5)探測(cè)結(jié)果與閾值驗(yàn)證。圖10為140502工作面風(fēng)巷T20點(diǎn)北55m迎頭前方100m直流電法超前探測(cè)成果圖，由圖10和圖11可見，地層視電阻率整體較高，視電阻率值大于10Ω·m，其中28～40m范圍內(nèi)電阻率值在34Ω·m左右，若根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)閾值10Ω·m判定，探測(cè)區(qū)域內(nèi)整體富水性較弱。

圖10 140502工作面風(fēng)巷T20點(diǎn)北55m迎頭直流電法超前探測(cè)結(jié)果Figure 10 Working face No.140502 airway point T20 north 55m front direct current advanced detection result

圖11 調(diào)整色標(biāo)后140502工作面風(fēng)巷T20點(diǎn)北55m迎頭直流電法超前探測(cè)結(jié)果Figure 11 Working face No.140502 airway point T20 north 55m front direct current advanced detection result after shade-guide adjustment

巷道掘進(jìn)過程中，在探測(cè)點(diǎn)向前30m處頂板出現(xiàn)滴淋水情況，水量約5m3/h，很快疏干，為頂板砂巖水。異常區(qū)位置與28m～40m對(duì)應(yīng)情況較好，且電阻率值與確定的閾值35Ω·m基本一致，說明確定的閾值具有實(shí)際參考價(jià)值。

5 結(jié)論

1)通過測(cè)井曲線及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式獲得的以礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立的地質(zhì)-地電模型進(jìn)行模擬，同時(shí)是在同一礦區(qū)同一煤層的基礎(chǔ)上研究獲得，所確定的閾值具有實(shí)際參考意義。

2)通過數(shù)值模擬和實(shí)際工程案例的結(jié)果，進(jìn)一步確定了直流電法超前探的可行性，且異常區(qū)域與探測(cè)結(jié)果具有一定的對(duì)應(yīng)性，但異常區(qū)的范圍通常比實(shí)際情況大。

3)實(shí)際地層與模型有一定的差異，且地質(zhì)-地電具有不均勻性，通過模擬獲得的閾值是在單一模型下獲得，實(shí)際探測(cè)區(qū)域電阻率值在35Ω·m附近時(shí)都需引起關(guān)注。