張志武

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250114)

我國(guó)煤田的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，且具有破壞性大、搶救難度大以及損壞周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而水害也被歸為礦井的五大災(zāi)害之一[1-3]。工程中礦井的水文探測(cè)對(duì)于礦井活動(dòng)的安全進(jìn)行具有重大意義。由于礦井地下巖石的導(dǎo)電性與其含水性相關(guān)，因此礦井水文探測(cè)方法在選擇上主要以電法勘探為主，高密度電阻率法由于具備測(cè)點(diǎn)密度大、效率高以及可以得到更多電信息等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地球物理探測(cè)[4-6]。文章主要通過(guò)利用高密度電阻率法進(jìn)行礦井承壓水導(dǎo)升高度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析從而為相關(guān)數(shù)值模擬提供符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的水壓施加點(diǎn)及水頭壓力值。

1 地質(zhì)概況

在實(shí)際應(yīng)用中，選定山東省某礦井的3501工作面進(jìn)行探測(cè)。該工作面地處于礦井西翼的東部，位于-300 m井底車場(chǎng)南側(cè)，工作面向南100 m左右以及東部、西部、北部均以斷層為界。3501工作面煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定，工作面寬度約4 m，沿傾向長(zhǎng)約90～110 m，走向長(zhǎng)約480 m，煤層厚度平均5.5 m，煤層傾角為8～18°。

由于地處含水層，3501工作面水文情況較為復(fù)雜，該處的含水層在垂向上的分布具有鮮明分帶特性，且含水層基本為靜儲(chǔ)量，鉆探過(guò)程中在煤層底板處均有水流涌出。在對(duì)巷道電測(cè)異常區(qū)域進(jìn)行施工鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩鉆孔的平均涌水量分別約為4.7 m3/h和6.9 m3/h，涌水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2 探測(cè)方法的選擇

為了精確且連續(xù)的監(jiān)測(cè)煤層底板巖層承壓水的導(dǎo)升高度，同時(shí)考慮到煤巖性質(zhì)及其裂隙中的含水性，采用常高密度電阻率法進(jìn)行礦井的水文勘探。與傳統(tǒng)電阻率法及其他方法相比，高密度電阻率法改進(jìn)了測(cè)定方式，可以同時(shí)反映地下一定深度巖石水平方向及垂直方向上巖性的變化規(guī)律，具有效率高、測(cè)點(diǎn)密度大以及采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特性，因而應(yīng)用最廣泛[7-8]。

3 布置方法

根據(jù)該礦3501工作面的巷道布置情況，決定在工作面進(jìn)、回風(fēng)巷沿巷道布置測(cè)線，如圖1所示。進(jìn)、回風(fēng)巷分別以Y2和H1為起點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為6 m，沿巷道測(cè)線長(zhǎng)度共布置80個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)度476 m，隔離系數(shù)N最大為15，工作面切眼處以Y2為起點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為6 m，沿工作面傾向長(zhǎng)度共布置19個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)度108 m，最大隔離系數(shù)N為5。在本實(shí)驗(yàn)測(cè)定中，采用SR-4型數(shù)字電法儀對(duì)高密度電阻率法測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖1 3501工作面工程布置平面圖

4 結(jié)果分析

4.1 進(jìn)風(fēng)巷測(cè)定結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)定結(jié)果繪制如圖2(a)所示的排列視電阻率的斷面圖及比值Ts斷面圖，該電阻率斷面圖主要反映底板處電阻率的分布情況。

由圖2(a)可以看出，當(dāng)電極間距為60～300 m的范圍內(nèi)時(shí)，剖面較為一致，電阻率的變化較為均勻，除了部分巷道的積水導(dǎo)致較低的電阻率外，其值大約都在80～120范圍內(nèi)，此時(shí)的承壓水自然導(dǎo)升高度約為-68 m。在圖2(b)中的比值斷面圖中，在220～240 m的范圍內(nèi)也顯示出低值區(qū)，承壓水自然導(dǎo)升高度約為-40 m，該范圍的視電阻率高于50，認(rèn)為在指定的勘測(cè)范圍內(nèi)，此區(qū)域比相同深度的回風(fēng)巷有較低的含水性。而從圖中可以看出，除此處之外的其他區(qū)域得到的視電阻率普遍高于100，證明該底板的巖層基本不含水。

圖2 進(jìn)風(fēng)巷不同排列方式成像斷面圖及比值斷面圖(圖中描粗曲線為電阻率低值異常區(qū))

4.2 回風(fēng)巷測(cè)定結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)定結(jié)果繪制了α排列視電阻率斷面圖及Ts斷面圖，如圖3所示。

由圖3(a)可以知道，在反映煤層及其底板電性特征的極距范圍內(nèi)，電阻率的值都在95以上，且?guī)讉€(gè)小斷層內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)低電阻率的情況，說(shuō)明該處為不含水層。當(dāng)電極間距在235～255 m范圍時(shí)，該處的電阻率值出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為45以下，顯然這是由于巷道內(nèi)含水所導(dǎo)致。因此由上述分析可以判斷出，該巖層承壓水自然導(dǎo)升高度約上升到距離煤層底板49 m處。在判斷底板巖層的含水及其承壓導(dǎo)升情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)在180～250 m的x坐標(biāo)范圍內(nèi)的電阻率值小于35，而該區(qū)域內(nèi)Ts比值斷面圖也表現(xiàn)為低值異常，如圖3(b)粗線所示，從而判斷該低阻區(qū)距離煤層底板約30 m。電阻率低阻區(qū)通常與煤巖層的含水性的出現(xiàn)有很大關(guān)聯(lián)，由上述的分析可以判斷，在回風(fēng)巷勘探區(qū)域的局部巖層有較強(qiáng)的含水性，且承壓水自然導(dǎo)升高度較高，在實(shí)際的開采掘進(jìn)中應(yīng)特別注意。

圖3 回風(fēng)巷不同排列方式成像斷面圖及比值斷面圖(圖中標(biāo)紅曲線為電阻率低值異常區(qū))

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用高密度電阻率法，通過(guò)布置測(cè)定方案對(duì)承壓水高度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，通過(guò)對(duì)測(cè)定得到的高密度電阻率成像結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

1) 與傳統(tǒng)電法相比，高密度電阻率法可一次性布設(shè)電極無(wú)需更換，同時(shí)可設(shè)定多種電極排列參數(shù)，從而獲得豐富的電信息結(jié)構(gòu)，結(jié)合本文的分析結(jié)果來(lái)看，證明該方法適合進(jìn)行承壓水導(dǎo)升高度的探測(cè)。

2) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果的圖像分析可知，巖層的含水情況可通過(guò)探測(cè)區(qū)域的電阻率異常情況進(jìn)行判斷，從而確定巖層含水性的強(qiáng)弱，為實(shí)際的開采掘進(jìn)提供依據(jù)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果分別得到了進(jìn)、回風(fēng)巷中電阻率異常區(qū)的范圍，從而確定了該處承壓水自然導(dǎo)升高度距煤層底板的位置，在實(shí)際煤層開采過(guò)程中可有效避免水災(zāi)事故的發(fā)生。