音频电法在煤矿构造导阻水性的应用研究

马玉川

(山西霍宝干河煤矿有限公司)

·试验研究·

音频电法在煤矿构造导阻水性的应用研究

马玉川

(山西霍宝干河煤矿有限公司)

以干河煤矿首采2-101工作面为例，介绍了音频电穿透法在构造导、阻水性探查的应用。经实际验证，音频电穿透法物探方法在构造导、阻水探查方面具有独特的优势，地质效果显著，是一种行之有效的地质勘探手段。

音频电穿透法；构造导、阻水性；低阻异常区；导电差异

山西霍宝干河煤矿2-101工作面为首采工作面，走向长2 100 m，倾斜长205 m，所采煤层为2#煤，2#煤位于二叠系底部，距奥陶系含水层顶部大约为120 m，由于奥陶系含水层的水压和水量都很大，若奥陶系含水层的水通过断层等构造导入到工作面底板附近，对工作面的安全回采造成极大的威胁。作为干河煤矿首采工作面，涌水量较大，为了安全生产，需预先查清该采面底板的水文地质条件,为该工作面的采前防治水及回采过程中采取适当技术措施提供物探依据。在井下利用音频电穿透法，对2-101工作面底板进行了探测，取得了良好的效果。表明音频电穿透法是一种行之有效的物探手段，值得推广应用。

1 方法原理

由于地下各种岩(矿)石之间存在导电差异[1]，如表1所示，影响着人工电场的分布形态。矿井音频电透视法是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的。

表1 一般煤系地层常见岩石电阻率值

从大的范畴来说，矿井音频电透视法属矿井直流电法[2]。因其施工方法技术、资料处理技术的差异及主要针对性(探测采煤工作面内部的构造)等原因而形成矿井音频电透视法分支。

与地面电法不同的是：矿井音频电透视法以全空间电场分布理论为基础。

对于均匀全空间，点电源产生的电场分布特征，可用如下关系式表达：

(1)

(2)

(3)

式中:Um—电位；

I—供电电流强度,A；

Em—电场强度；

jm—电流密度；

ρ—均匀空间介质电阻率；

R—观测点M到点电源A距离，m。

含水构造可以模拟为局部地质体，如图1所示。对于井下局部地质体的附加场，可用导电球来说明问题。即电流场中导体的异常可以近似地看作电偶极子的异常。

图1 含水构造的异常反映特征示意图

2 工作布置和工程量统计

设计物探测点以10 m为点距正巷、副巷两顺槽对称编号标点，从外往切眼，正、副巷各204个坐标点，共计408个坐标点。

测网密度：接收点距20 m、发射点距50 m，针对每个发射点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收，每个发射点一般对应7～2个接收点(见图2)。

本次物探工作，两顺槽共布置82个发射点(正、副巷各42个)，为了探测工作面底板下不同深度的水文地质状况，施工时采用F=120 Hz、15 Hz两个频点依次测量。

(a) 轴向单极—偶极法 (b) 测量方式

图2 矿井音频电透视施工布置示意图

3 资料的分析与处理

1) 原始资料处理。为保证原始资料质量，施工严格按照“煤田电法勘探规范”进行。本次物探工程在测量过程中对多个测点进行了检查测量，符合“规范”要求。

资料质量以检查点相对均方误差值来衡量。其公式表示为：

(4)

式中：

n—检测点个数；

ρi—第i个点的原测值；

按公式(4)计算得到平均均方差为 4.75%，符合规范不超过 5%的要求。

2) 资料分析解释。音频电透视采集的参数有发射点位置、接收点位置、电位差、发射电流和接收间距等。

考虑到资料处理的方便与直观，处理过程中把视电阻率值转化为视电导率值。由于视电导率与视电阻率呈反比例关系，电透视成果图上视电导率数值越大表示异常越强。

资料处理与解释方法有人工交汇法与CT成像法两种。现在一般都用CT成像方法解释。

交汇法就是根据集流效应使得点源场中低阻良导电地质体方向上的电位下降梯度增大(高阻地质体情况，则相反)，由异常曲线的拐点来划分异常区间，并交汇出异常范围的方法。这种方法人为因素影响较大，因人而异，误差较大。

矿井音频电透视层析成像原理：矿井音频电透视层析成像是利用穿过采煤工作面内的沿许多电力线(由供电点到测量点)的电位差数据来重建采面电性变化图像的。

设X为供电点与测量点之间的连线，U为电位差，可以证明：

△U=Cf(x)σ(x，y)dx

(5)

式中：

σ(x，y)—电性参数(是x,y的位置函数)；

C—调节系数。

把整个研究范围剖分为J=M×N个单元来考虑，把所研究的问题离散化，见图3。假定第j条射线穿过I个单元,则第j条射线上的电位差表达式为：

(6)

式中:

rj，i—第j条射线位于第i单元内的长度(各单元序号是x,y的位置函数)；

δj，i—第i个单元内的电性参数。

图3 单元剖分示意图

将所有各射线建立方程，则有：

△U=x·δ

(7)

则所有问题转化为:根据数据△U来计算σ的值。由于这是一个超定方程组,很难求其精确解，故采用多次迭代的近似值法来求其近似解。

构造类型则根据异常形态结合地质条件与构造发育规律进行综合分析推断。

3) 物探成果与地质解释。经过上述处理流程得出物探成果图件。将物探成果图件和已知的地质资料相结合，进行综合分析，得出地质结论。

本项工程提交成果图件两幅,见图4，图5。

图4 70 m深度音频电透视探测成果示意图

图5 100 m深度音频电透视探测成果示意图

从图4可以看出，视电导率整体上变化比较平缓，没有大的异常区存在，总体上看,电性分布比较稳定。1号异常，1012巷的204号测点和130～135号测点折至1011巷的185～198号点附近， 从图中看该区域的异常部分富水性较强。2号异常，主要分布在1012巷道的110号～175号之间，异常主要分布在巷道附近，异常的幅值不大，范围较小推断其对工作面的回采影响不大。3号异常区域位于1012工作面的45号测点～105号测点之间折向1011巷道的105号测点～47号测点之间。该区异常部分区段连通两顺槽。为本次探测的主要异常区段。异常的核心部分位于1012巷道附近。4号异常位于1012巷道的0号～26号测点折向1011巷道的15～0号测点之间，该区异常向工作面延伸不多。总体来看该工作面的异常区分布比较分散，异常幅值不大，异常范围相对较小，推断异常性质主要表现为砂岩裂隙相对富含水。

异常和已知构造(断层)的关系：在断层部位表现为相对富水，向工作面的延伸不长。

从图5可以看出，异常区主要分布在4个区域，1号异常区在切眼附近的工作面变窄区域，2号异常位于1-1012巷道附近。3号异常以70号测点为中心左右宽200 m，为探测区域的主要异常区段。4号异常在测区的0～26号测点之间。总体来看,异常区段是局部的，相对分散。没有异常幅值大，异常区域较宽连成一片的异常区段存在。

从两个中心平面的异常区比较：两个平面在大致相同的地方存在4个异常区段，在每个异常区中，异常形态略有不同。反应在两个平面的大致相同部位存在局部岩石裂隙发育并相对富水区段。总的来说,异常区的分布较为零星，说明本工作面下部的富水性相对均一。在工作面回采时加强观测，发现情况及时采用措施，或提前在异常区段相对加强排水设施的建设。

4 构造含水性分析

从现有资料看，2-101工作面掘进过程中共揭露断层20余条，其中大多数断层落差大于5 m，断层及附近煤层和顶板破碎给回采生产造成一定的影响；另外，工作面北中部有一古河床冲蚀带，该范围内，煤层上部夹有砂岩包掳体，直接顶岩性变为砂岩，根据先前的物探结果分析，工作面内存在多处低值异常区，可能为断层落差增大。将本次物探成果图件与2-101工作面采掘工程平面图对照来看，仅在局部区段和异常区有一定关系，从异常区的分布范围和形态看异常区与断层并没有较为明显的关联度。

总体来看，工作面内没有明显的异常区域存在，推断底板下70 m范围内无强含水区段。但在生产过程中靠近断层(等构造体)附近时也不能忽视，尤其是采动影响对断层(等构造体)带造成的破坏有可能对断层(等构造体)的含导水性产生一定的影响。

5 应用情况

2-101工作面已回采完毕，实际揭露情况与音频电穿透法勘探情况基本一致，说明音频电穿透法在构造导、阻水性探查方面效果较好，具有很好的推广应用前景。

[1] 冷胜友.干河矿2-101工作面音频电勘探报告[R].西安：煤炭科学研究总院西安研究院, 2008：13-24.

[2] 张虎生,张为孙.物探方法在地质灾害中的应用[J].中国地质灾害与防治学报, 2003(03):47-51.

ApplicationStudyonAudioElectricityinCoalMineThroughtheStructureoftheResistanceWater

MaYu-chuan

Takes the first coal mining face of 2-101 in Ganhe coal mine for example, introduces the method in construction through the report, a search of water,the real test shows that electric geophysical prospecting way through the method in construction, a search report of the water has a unique advantage, geological worked, is an effective means of a geological prospecting.

Audio electricity can pass; The structure of water conductivity; An area of low resistance; Electricity differences

马玉川 男 1976年出生 1997年毕业于山西省煤炭工业学校 助理工程师 霍州 031400

TD16

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2010-07-28