采煤工作面水害电法精细探测技术

牟 义，杨新亮，李宏杰，邱 浩

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京 100013;2.晋煤集团技术研究院物探工程分公司，山西 晋城 048000;3.晋煤集团资源环境局,山西 晋城 048006)

矿井水害是煤矿生产中经常遇到的地质灾害和制约煤矿安全生产的主要因素之一[1]。水害的发生，大部分是由于在采掘过程中触及或接近了含导水构造，或是采掘改变了原来的应力状态，破坏了应力平衡，使隔水层遭到破坏[2]。目前，工作面掘进和回采过程中突水日益增多，成为煤矿安全的主要突水威胁，也日益成为矿井物探主要的研究方向。近年来，随着矿井物探技术，特别是针对矿井工作面水害的矿井电法技术的研究，矿井瞬变电磁法和矿井音频电透视法等电法技术在煤矿工作面水害预测中应用实践越来越成熟，取得了较好的探测效果，为煤矿的安全生产解决了大量的实际问题。

1 工作面含水体探测的物性前提

在工作面附近的结构致密完整不含水的煤岩层在电阻上表现为高电阻率特征。如果煤岩层裂隙等构造发育且含水或存在采空区积水，那么在煤岩层裂隙发育、断层、裂隙带等构造或采空积水区附近的电阻率会比正常煤岩地层的电阻率大大降低，降低的程度视裂隙等构造发育、含水程度或采空区积水程度的不同而不同。裂隙等构造愈发育含水性愈强，电阻率愈低；采空区积水越多，电阻率越低。据此，通过探测工作面顶、底板和煤层内部等区域煤岩层的电阻率及其变化规律，可以查明煤岩层的水文地质条件。这种变化特征的存在，为以导电性差异为应用基础的矿井瞬变电磁法和矿井音频电透视法的实施提供了良好的地球物理前提。

2 矿井电法探测原理与方法

矿井瞬变电磁法和矿井音频电透视法同属于电法勘探范畴，主要是根据煤岩层、含水体、老空区、积水区以及各类地质构造之间的导电性、电化学活动性、介电性等电学性质的差异，在矿井中借助专门的仪器设备观测和研究地球物理场的变化及分布规律，来查明富水性的一种地球物理勘探方法，进而达到解决煤矿安全隐患问题的目的。

2.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也基本相同。受矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于130m。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应(图1)，这种瞬变响应是来自于回线平面上下(或两侧)地层。

图1 地下全空间TEM信号扩散示意

2.2 矿井音频电透视法

矿井音频电透视法同地面电阻率法原理相同，它通过一对接地电极把电流供入大地中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必须的电位或电位差信息。音频电透视法在工作面内部探测采用轴向单极-偶极法(如图2(a)所示)，在一条巷道内布置供电电极A1和无穷远电极B，向底板或顶板供电，在地下岩层中建立稳定电流场，在工作面的另一条巷道内布置测量电极M和N，测量两点的电位差，并计算视电阻率ρs。若工作面内、底板或顶板存在低阻异常体，视电阻率ρs就会有所反映。应用定点交会法进行测量(如图2(b)所示)，所谓定点，就是固定供电电极A1和无穷远电极B，以一定的间隔同时移动M1和N1，每移动一次，测量一次M1、N1之间的电位差，得到一个视电阻率ρs。这样就形成了以A1为圆心，O1(M1、N1中点)为半径的扇型区域。当A1、O1之间的连线在一条巷道内把设计的所有位置都覆盖一遍，单边测量结束。把供电电极A1和无穷远电极B和测量电极M1、N1互换，按上述的方法再测量一遍，完成另一边的测量。

图2 矿井音频电透视施工布置图

3 矿井水害探测实例

3.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法探测采用的是PROTEM47矿用瞬变电磁仪，以内蒙某煤矿1136工作面上方区域探测为例，以便更全面掌握该工作面上方砂岩富水情况。根据1136综采工作面实际采掘条件，在1136综采工作面回风顺槽和皮带顺槽各设计3个不同的探测方向。顶板岩层的探测范围覆盖情况如图3所示。回风顺槽按90°、40°、25°(发射线圈平面法线方向与水平面的夹角)的探测方向设计，皮带顺槽按90°、40°、25°，基本上全部覆盖了1136综采工作面3-1上煤顶板各岩层。

图3 1136工作面矿井瞬变电磁法探测设计

通过数据处理、反演计算和成图后，在1136工作面上方形成不同角度电阻率剖面图和不同高度电阻率平面图。以工作面上方30m高度所成电阻率平面图(如图4所示)为例，该图投影到1136工作面后，正好和1136工作面重合，其坐标原点位于1136回风顺槽与3-1皮带大巷交点处，上部横坐标与1136皮带顺槽距离3-1皮带大巷重合，下部横坐标与1136回风顺槽距离3-1皮带大巷重合；左侧纵坐标与3-1皮带大巷方向一致，右侧纵坐标与1136工作面切眼重合。平面图中白色虚线框代表圈定的异常区范围；平面图中右侧色标不同颜色代表不同电阻率值，其中白色表示高电阻率值，黑色表示低电阻率值。

在图4中1136工作面上方30m处电阻率平面图中，发现2处低阻异常和2处高阻异常。低阻异常分别命名为低阻异常1和低阻异常2；高阻异常分别命名为高阻异常1和高阻异常2。根据探测资料，结合巷道已经揭露的地质情况和岩性变化分析，推断低阻异常1为富水性中等，可能由于砂岩含水层引起；推断低阻异常2局部富水性中等，局部富水性较强或强，可能由于砂岩含水层引起；推断高阻异常1和高阻异常2为高阻岩体，可能是由于含水较少的致密岩体引起。后矿方在1136工作面上方圈定的低阻异常和高阻异常位置布置了28个钻孔，钻孔位置如图5所示，经打钻验证，有18个钻孔出水，Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z17、Z18、Z19、Z26、Z28等14个钻孔出水量较大，经水质化验分析为砂岩裂隙水。

图4 1136工作面上方30m处探测平面图

图5 1136工作面钻孔设计图

3.2 矿井音频电透视法

矿井音频电透视法探测采用的是YT120(A)音频电穿透仪，以山西某煤矿13120工作面内部探测为例，以便更全面掌握内部煤层区域富水情况。设计本次物探工作在13120工作面回风巷和运输巷分别布置发射点5个，共10个发射点。每个发射点一般对应15个接收点(部分发射点少于15个接收点)，对应巷道的一定区段进行扇形扫描接收，发射点点距50m，接收点点距10m，无穷远电极极距300～500m。图6为13120工作面音频电透视法探测设计。

图6 13120工作面音频电透视法探测设计

图7为13120工作面内部区域音频电透视法探测平面图，坐标原点位于13120工作面回风巷与回风大巷交点处，横坐标表示沿13120工作面回风巷距离回风大巷的长度，纵坐标表示沿回风大巷距离13120工作面回风巷的长度。不同颜色色标表示视电阻率的大小，其中白色表示高视电阻率值，黑色表示低视电阻率值。

图7 13120工作面内部探测平面图

在图7中，13120工作面内部区域发现5处低阻异常和7处高阻异常。5处低阻异常分别是低阻异常1、低阻异常2、低阻异常3、低阻异常4、低阻异常5；7处高阻异常分别是高阻异常1、高阻异常2、高阻异常3、高阻异常4、高阻异常5、高阻异常6、高阻异常7。探测结果表明13120工作面内部区域没有强的含水构造，13120工作面测区范围东南部层位较低，分布5处低阻异常，推断可能为顶板裂隙发育相对较强，可能微弱含水，但不影响该工作面回采，后经回采揭露低阻异常2、低阻异常3、低阻异常4等3块圈定低阻异常区域出现顶板滴水和淋水现象。另外，7处高阻异常层位较高，可能为致密干燥岩体或不含水构造因素所致。

4 结论与建议

4.1 结论

结合在多个煤矿工作面内部区域的探测经验和2种矿井工作面电法探测的特点，得出以下结论。

1) 矿井瞬变电磁法和矿井音频电透视法中电阻率的高低反映了富水性的强弱，所推测富水区含水层整体上呈相对低电阻率异常特征，所圈定的低阻异常体钻探验证为含水体的效果较好。

2) 结合矿井地质概况及电性特征的特点，富水性的强弱决定着岩层电阻率的高低，从上面的两个实例中，可以对应着三个不同的电阻率区间划分三个不同程度的富水情况：①电阻率小于5Ω·m：富水性相对强到较强，可能是由于含水强或较强含水层(或采空积水区)引起；②电阻率介于5～30Ω·m：富水性中等，可能是由于一般含水层(或一般采空积水区)或低阻岩体引起；③电阻率介于〉30Ω·m：富水性相对较弱，是正常岩层反映。

4.2 建议

为了在工作面回采前更好的预测预报工作面区域富水情况，对于2种探测方法的选择和优化提出以下建议。

1) 工作面形成通风系统后，建议采用矿井瞬变电磁法和矿井音频电透视法2种方法对工作面内部区域含水体进行超前探测，2种方法相互配合、相互补充，可以多角度多层位更全面监测工作面区域富水性。

2) 结合现场施工经验，优化了一套合适的施工装置和施工参数。矿井瞬变电磁法一般采用偶极装置、双巷道观测模式，每条巷道一般设置3个对称探测角度，点距一般为10m；矿井音频电透视法采用轴向单极-偶极装置、双边测量定点交会观测模式，每个发射电极一般对应扇形区域13～15个测量电极，发射极距一般为50m，测量极距一般为10m。

3) 结合现场施工经验和验证情况，矿井瞬变电磁法可以多角度多层位探测，对工作面顶、底板方向含水体能较好的圈定分布范围；矿井音频电透视法可以单层位定向探测，对工作面内部煤层层位进行较好的圈定含水体；综合采用矿井瞬变电磁法和矿井音频电透视法对工作面各个层位进行全面观测，可以相互补充、相互验证，实现工作面区域全方位精细探测。

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