井下电法探测煤矿水患致灾因素的应用

2018-08-20张奋轩

陕西煤炭 2018年4期

张池，孙伟，张奋轩

(1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西神木 719316；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安 710005)

0 引言

近年来，随着煤矿开采深度的不断增加，水害的威胁日趋严重，淹井伤人事故频繁发生，造成人民生命财产的重大损失，也严重制约着煤炭工业的发展。井下电法勘探对水体反映灵敏，而且多种多样的方法可以分别应用于煤矿生产的各个环节，对煤矿水害探测具有重要意义。文中主要介绍了井下瞬变电磁法、井下直流电法和音频电透视法在实际生产工作中的应用效果，并探讨了进一步发展的方向和建议。

1 井下电法探测方法及其应用

目前，国内在煤矿水害探测方面最常用的井下电法勘探方法是井下瞬变电磁法、井下直流电测深法、井下直流三极超前探测法和音频电透视法，均属于全空间中的电法勘探，分别应用于掘进巷道的超前预报、工作面前方的含水异常探测及工作面顶、底板中的含水异常探测。

1.1 井下瞬变电磁法[1-4]

井下瞬变电磁勘探的原理和地面方法一样，都是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。但是井下瞬变电磁为全空间瞬变响应(图1)，这种响应来自于回线平面两侧的地层。

图1 地下全空间TEM信号扩散示意图

相对地面瞬变电磁勘探，井下瞬变电磁法一般采用的线框小于3 m，设备轻便，工作效率高；而且由于采用了小线框密集采集方式，可以有效降低体积效应，提高勘探的分辨率；同时井下测量装置因其更靠近异常体，从而大大提高了测量信号的信噪比。此外，井下瞬变电磁还可以将线圈平面以任意角度放置来进行巷道内各个方向在一定范围内的富水异常分布。

图2为陕西某煤矿机巷瞬变电磁超前探测成果示意图。图2(a)为底板方向探测成果，可以看出底板方向电性变化较平稳，视电阻等值线分布均匀，并无明显扭曲和闭合特征；视电阻率值较高，可认为其富水性较弱。图2(b)为顶板方向探测成果，可以看出在迎头前方偏右侧帮15°方向附近出现视电阻率明显降低，等值线呈半闭合状，分析认为其含水可能性较大。经实际揭露和钻探验证，在巷道右侧15°方向存在一断距为5 m的正断层，并未断至底板；钻探在巷道顶板方向偏右侧7°和15°方向钻至45 m处出水，出水量为3 m3/h，而在底板方向无出水情况。证明了探测分析结果的正确性。

a-底板方向;b-顶板方向图2 陕西某煤矿机巷瞬变电磁超前探测成果

井下瞬变电磁在矿井水害探测方面具有诸多优势，是目前探测巷道前方各类水体异常应用最广的方法。但也存在自身缺陷，易受井下金属物体和铁器的干扰，而且由于关断时间的影响存在一定范围的勘探盲区(20 m左右)，还存在低阻屏蔽问题，不能准确定位异常距离。今后一方面要针对方法本身提高处理解释精度，另一方面需要同其他勘探方法相结合互补不足。

1.2 井下直流电法

井下直流电法勘探，以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论处理和解释有关矿井地质问题。针对不同的地质问题，根据其电极排布和移动方式又衍生出多种勘探方法。其中井下直流测深法是通过研究深度方向地层电性变化，获得地质特征信息的方法。它在同一观测点逐次增大供电电极距，使电流穿透的深度由小变大，从而观测到该测点处沿深度方向由浅到深地层的电性变化特征；而三极超前探测则是通过3个电极交替供电，利用几何交汇的原理来消除顶板、底板和后方的影响，达到探测迎头前方地质异常的目的[6]。

图3为陕西某煤矿机巷直流超前探测成果示意图。探测结果显示在巷道前方40～45 m范围有一低阻异常存在，经实际揭露，巷道掘进至该处时顶板裂隙发育并伴有淋水现象。

图4为陕西某煤矿巷道底板直流电测深断面图。推断解释了3处富水异常区，其中1号异常区视电阻率值较低并形成低阻闭合圈，认为其含水可能性较大；2号异常区的顶板上方存在上覆煤层采空积水区，分析认为异常应为上部积水影响所致；3号异常区范围较小，异常主要集中在浅部，可能是底板附近的砂岩层含水。

图3 陕西某煤矿机巷直流超前探测成果

图4 陕西某煤矿巷道底板直流超前探测成果

相较其他勘探方法，井下直流电法的理论体系和实际应用都最为成熟，但因受巷道全空间影响较大，解释时往往导致假异常多；施工中由于采集数据量大、效率偏低，有时对正常生产带来一定影响；而且在巷道拐弯处、新开口段等地进行超前探测时因为空间狭小，难以实现中远距离超前探测，必须辅以其他探测方法。今后将把减弱巷道全空间影响及提高施工效率作为主要发展方向。

1.3 音频电透视法

音频电透视属于直流电偶极接地探测技术，其电场分布于地下层状全空间，电流沿最小路径流动，由于不同岩层对于电流的吸收作用不同，低阻体对电流具有较强的吸收作用，所以在电流传播过程中如果遇到含水异常体则会出现电流被吸收或者屏蔽，导致在巷道对应接受位置的电流密度降低、视电导率增高形成透视异常区，也即为含水异常区的位置和分布范围[6-8]。

音频电透视法是在一条巷道内相应点发射，在另一条巷道对应的一定范围内接收，从而形成一扇形扫描区。空间上则形成一矩形带，对所有供电点进行重复测量。其工作方式如图5所示，主要用来探测工作面顶、底板附近一定范围内的含水构造。

图5 音频电透视施工方式示意图

图6为陕西某煤矿工作面音频电透视层析成像成果示意图。经过综合分析最后圈定了11处富水异常区，异常主要分布于工作面中部，经过部分回采揭露，图6显示的2处较大的富水异常区附近顶板均有淋水现象，靠近机巷附近有多处小的裂隙发育，整体探测效果显著。

音频电透视法由于是采用低频波建立人工电场，对应频率接收，故而具有较强的抗干扰能力。但是其理论体系尚未完善，在对异常体空间定位以及勘探深度的确定方面还存在一些问题，需要辅以其他探测手段综合解释。此外，如果工作面过宽，接收的电信号太弱，数据质量难以保证[7-8]。

图6 陕西某矿工作面音频电透视层析成像成果

2 井下电法勘探发展方向

就井下电法勘探自身而言，在超前探测方面，直流超前探测难以对巷道前方水体异常进行水量的定量分析；而瞬变电磁可以实现全方位多角度探测，能更准确地圈定异常，但由于低阻屏蔽问题，影响多异常的连续探测。所以在今后超前探测发展过程中，一方面需进一步提高完善处理和解释精度，另一方面多种方法共同探测可以更好地确定水体异常。在行巷道顶底板及工作面内部含水构造探测中同样存在类似问题，而且随着综采工作面宽度越来越大，直流电法、瞬变电磁法、音频电透视法的有效探测距离及探测精度都会下降。如何提高探测距离和探测精度将是今后主要的技术研究方向。井下电法勘探的最终目标就是实现施工高效率、数据高质量、解释高精度，最大限度地为煤矿防治水提供科学可靠的技术支持。