综合电法在煤层底板含水性探查中的应用

李文刚

(中煤科工集团西安研究院有限公司电法勘探技术研究所，陕西省西安市，710077)

目前，煤矿开采技术得到了很大的提高，但是由于许多煤田的水文条件、地质构造、外部环境等因素十分复杂，在受到岩溶水层的巨大压力时，部分煤层在开采过程中可能受到矿井突水的威胁。近年来，断层通水、采空区积水等造成的煤矿突水事故时有发生，可见，勘查矿区水文地质情况、探明通水积水分布，治理断层突水、采空区积水问题，提前采取必要的防水措施，对于煤矿安全生产来说十分必要。

本文根据探测区域开采揭露的实际地质情况，采用矿井音频电穿透技术和矿井高分辨率直流电法，探查工作面底板0～80m范围内的含赋水性异常分布，并根据资料处理成果图件和已知的地质资料相结合进行分析和解释。

1 富水构造的地球物理响应

矿井在掘进及工作面回采的过程中，岩层的天然平衡将被破坏，周围的水体常通过断层、陷落柱、溶洞、溶穴、隔水层以及岩层最薄弱的地方进入采掘工作面。其中，陷落柱是岩溶裂隙在地下水的溶蚀及水动力作用下逐渐发育和扩大，而在地质构造力和上部覆盖岩层的重力长期作用下塌落下沉。通常陷落柱会成为地下水的良好通道，常诱发矿井水患，同时破坏了煤层的连续性，影响了煤矿生产建设的正常进行。

通过电性特征分析岩性不同的地层，一般情况下灰岩和煤层的电阻率值较其他岩石电阻率高、砂岩的电阻率次之、而粘土岩类的电阻率最低；根据这种电性规律可知，泥岩和粘土岩等围岩与灰岩和煤层等目标岩层的导电性有着明显差异。在不受构造变动改造的情况下，沉积地层的电性特征在纵向上保持着一般的变化规律，而在地层的横向变化相比之下较为均一。当沉积地层在构造变动产生破碎带时，若构造内不存在积水或含水量很小的情况下，地层的导电性能较差，导致测量的电阻率值较高；若构造内存在大量积水，由于地质体积水后相当于良导体，他与不含水的围岩存在明显的导电性差异，在测量结果中呈现电阻率低值，容易识别。总之，沉积地层中如果存在断层或陷落柱等地质构造，并且存在积水的情况下，在含水构造与煤层或围岩的接触边界两侧存在着明显的电性差异。由于电法勘探技术是以导电性差异作为理论基础的，因此上述的电性特征为实施电法勘探提供了很好的地球物理前提。

2 物探方法的选择及必要性

目前，煤矿工作面底板含水性探测中用到的物探方法很多，各种方法都有各自的优缺点。例如，反射地震法、常规直流电法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法等。本次勘探选择了矿井音频电穿透法和矿井直流电法，主要原因如下:

(1)测区内地层相对稳定，沉积序列清晰。正常地层组合条件下，地层电性特点在横向与纵向上都有固定的变化规律，使用工作面矿井音频电穿透法技术能探测工作面底板中的平面上的低阻含水构造分布特征；

(2)矿井直流电法主要用于单独探测工作面底板中的地质构造，可以发现垂直于地层方向上不同深度的地质构造问题；

(3)为了真实准确地反映地下含水构造的埋深、分布形态等，进行综合勘探、对比分析能达到聚焦、立体探测的目的。

3 电法勘探实例分析与解释

本次勘探区域位于安徽省濉溪县西北刘桥镇境内的刘桥第一煤矿，该矿在东北方向上距淮北市约12km，东距濉溪县约7km，井田呈北东—南西向展布，矿井走向长7km，倾向宽1.5～2.0km，矿井面积为14.2604km2，生产能力为130Mt／a。矿井范围内无基岩出露，均被新生界松散层所覆盖，经钻孔揭露，地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系和第四系。刘桥一矿3＃、4＃煤层均受到七含砂岩裂隙水和太灰岩溶承压含水层的影响，对煤矿的正常生产造成了较为严重的安全隐患。因此，需查明该工作面的水文地质情况，为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依据。

3.1 音频电穿透法

本次音频电穿透法分两个层位进行勘探，勘探工作面底板下不同深度层段音频电穿透成果如图1、图2所示，运输巷、回风巷均以工作面煤壁为起点，以10m为点距编号标点，运输巷设36个坐标点，回风巷设35个坐标点，工作面设19个坐标点。图1、图2中等值线值表示视电导率，单位为西门子／米 (用S／m表示)，视电导率等值线图主要反映4＃煤层底板砂岩含水层的富水情况。由图1可以看到主要有2处视电阻率低阻异常区，在底板下第七含水层段附近，1号低阻异常区位于工作面回风巷西和工作面之间，异常条带性较强，范围较小，异常幅度相对较强；2号低阻异常区主要位于工作面回风巷东和运输巷东之间，异常条带性较强，范围较大，异常幅度相对中等。图2为勘探工作面底板下40～80m深度层段音频电穿透成果图，此处也可以看到2处视电阻率低阻异常区，1号低阻异常区零星分布在工作面和回风巷西，范围较小，异常幅度相对较强；2号低阻异常区主要位于工作面回风巷东和运输巷东之间，异常条带性较强，范围较大，异常幅度相对中等。

图1 0～40m深度层段音频电穿透成果图

不同层段地层视电导率特征参数统计如表1所示，从两个不同高度层段岩层视电导率平均值、标准偏差等参数比较可看出:40～80m层段比0～40m层段岩层的视电导率大；0～40m层段主要是第七含水层，40～80m层段主要是第八含水层，结合地质资料说明底板下40～80m岩层局部赋水性相对较强。

图2 40～80m深度层段音频电穿透成果图

表1 音频电穿透异常特征参数统计表

3.2 高分辨率直流电法

针对上述分析得到的富水性分布结果，本次勘探在工作面上选择了3条测线进行直流电测深勘探，以进一步分析和确定工作区的富水情况。运输巷、回风巷以及工作面的高分辨直流电法成果如图3、图4、图5所示，图中等值线值表示视电阻率相对幅值；运输巷、回风巷均以工作面煤壁为起点，均设33个坐标点，工作面煤壁设19个坐标点，坐标点均以10m为点距。运输巷底板下方主要发育有2处相对低阻异常区，如图3所示，其中1号异常区的范围相对较小，主要在4＃煤层底板砂泥岩层段附近；2号异常区的范围相对较大，在4＃煤层底板砂泥岩层段和第八含水层均有，且第八含水层异常范围较大。回风巷底板下方主要发育有2处相对低阻异常区，如图4所示，其中1号异常区的范围相对较大，主要在第八含水层段附近；2号异常区的范围相对中等，在4＃煤层底板砂泥岩层段。工作面底板下方主要发育有1处相对低阻异常区，异常区范围较大，其平面位置基本与揭露的疑似陷落柱一致，轴心稍微向回风巷方向倾伏，从异常区的形态来看，低阻异常在纵向上有一定的连通趋势。为了查明工作面底板下低阻异常区的平面分布形态，对泥砂岩层段和第八含水层附近的不同深度段切出30m、60m深度的低阻异常平面图，如图6、图7所示。图6反映4＃煤层底板下30m附近砂泥岩层段的裂隙发育情况，图上2处异常区分别对应了音频电穿透结果中的2处异常区。其中，1号异常区范围中等，异常幅度相对较大，异常幅值相对较强的区域靠近工作面；2号异常区条带性较弱，范围中等，异常幅度相对中等。图7反映4＃煤层底板下60m附近砂岩含水层段的裂隙发育情况。其中，1号异常区范围中等，异常幅度相对较大，异常幅值相对较强的区域靠近工作面；2号异常区条带性较弱，范围较小，异常幅度相对较小。

图3 运输巷底板视电阻率低阻异常断面图

图4 回风巷底板视电阻率低阻异常断面图

图5 工作面底板视电阻率低阻异常断面图

3.3 异常性质分析

结合刘桥一矿采掘工程平面图和上述勘探资料来看，1号异常区为本次井下综合电法探测的主要异常区，位于工作面揭露的陷落柱和数条小断层附近，受刘桥向斜和疑似陷落柱的影响，底板下砂泥岩隔水层相对比较破碎，尤其是在疑似陷落柱附近，深部也存在比较明显的低阻异常，异常也有向斜上方导升的趋势，推测该异常主要是第八含水层裂隙比较发育且相对赋水所致。音频电穿透与高分辨率直流电法在该异常处对应较好，整体而言1号异常区在浅部异常范围较大，分析主要是浅部砂泥岩造成的，深部相对浅部异常范围较小。2号异常区在两种方法中都有反应，该异常区主要位于刘桥向斜的西翼，受向斜构造的影响，底板下砂泥岩隔水层相对比较破碎，深部也存在比较明显的低阻异常，异常在局部位置也有向斜上方导升的趋势，推测该异常区主要是第八含水层裂隙比较发育且相对赋水所致。

图6 30m深度附近岩层低阻异常平面图

图7 60m深度附近岩层低阻异常平面图

4 结论

本次井下综合电法勘探工作采用的音频电穿透法和高分辨率直流电法选择合理，探测了工作面底板含水层含水性异常区的赋存位置和分布特征。主要成果为:根据物探资料在工作面底板共发现了2处低阻异常区，1号异常区位于工作面揭露的陷落柱和数条小断层附近，2号异常区主要位于刘桥向斜的西翼，受向斜构造的影响，推测两处异常区主要是第八含水层裂隙比较发育且相对赋水所致。

鉴于以上的勘探结果，在勘探工作面内应注意将勘探异常区 (以2处异常区为主)作为回采前防治水工作重点区。低阻异常区是客观存在的，能否通过裂隙、构造导升并发生突水，则受诸多人为因素影响和控制，地下水的突出必须具备一定的水文地质条件，矿井电法勘探结果与已知地质资料、水文地质资料结合起来综合分析，为煤矿安全生产和建设提供了理论依据和保证。

[1]柴晓军.煤矿断层防水煤柱开采回收技术探析[J].企业技术开发，2013(11)

[2]许云磊，刘志新等.瞬变电磁法对工作面底板注浆工程的稳定性评判[J].中国煤炭，2011(12)

[3]黄健良，韩建光，李德鹏.煤矿地质灾害的地球物理特征及勘查方法[J].山西焦煤科技，2009(7)

[4]黄录基.地光[M].北京:地震出版社，1983

[5]方家虎，孙强.深层煤矿床勘查的矿井物探技术手段优化探讨[J].中州煤炭，2012(2)

[6]王剑峻.音频电透视在煤矿综采工作面的应用[J].中国矿山工程，2008(2)

[7]郝治国，贾树林，文群林.综合物探方法在采空区及其富水性探测中的应用[J].物探与化探，2012(S1)

[8]占文峰，王强，王柱.地面电测深法在待采工作面富水性探测中的应用[J].中国煤炭，2014(1)