电法探测煤矿顶板岩层富水性的应用

2019-07-10王程

城市建设理论研究（电子版） 2019年2期

王程

中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安 710000

1 引言

鄂尔多斯西部煤田石炭系煤层区域，根据钻孔揭露，井田含水层自上而下依次为：第四系松散孔隙含水层（Q）、第三系下部砂砾石层含水层（N2）、二叠系石盒子组砂岩承压含水层（P1sh）、二叠系山西组砂岩含水层（P1s）、石炭系太原组砂岩含水层（C3t）、奥陶系石灰岩岩溶水。9号煤层为石炭系太原组煤层，煤层回采的含水层为二叠系山西组砂岩含水层，该含水层主要存在二层砂岩含水层。

近年来采用多种物探方法探测煤层顶底板岩层富水性，但在纵向高度上定位略有不足。笔者经过研究，直流电法在探测富水性具有其独特性和精准性，将该方法应用于煤矿顶板含水层富水性的探查取得了较好的效果。

2 方法技术简介

矿井高分辨电测深是自上世纪六十年发展起来，在国际上广泛应用，并在近十几年煤矿防治水方面取得长足发展的煤矿物探新技术。该技术是采用测量地层中建立特定电场的分布规律，对含水、导水构造进行探查，对地下水体反映敏感，效果良好。

矿井高分辨电测深属全空间直流电法。它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水文地质问题。与地面电法不同的是矿井高分辨电测深是以全空间电场分布理论为基础，在地下巷道中进行电法测量工作，地下电流通过布置在巷道内的供电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场，该稳定场特征取决于巷道周围岩石的电性特征及其赋存状态。

本次矿井高分辨电测深技术使用三极测深法，针对探测巷道顶板含、导水构造裂隙而设计。

井下采集的第一手资料是反映岩石电性特征的视电阻率（单位：欧姆米），对井下采集的原始数据进行处理和解释，具体步骤如下：

（1）数据整理。对所测视电阻值进行全空间校正，巷道空间校正，同时形成视电阻率曲线图，视电阻率等值线剖面图；

（2）提取视电阻率中的含水信息。解释含水、导水构造及潜在导水、突水通道，并分析构造异常体的含水、导水规律。

（3）提取视电阻率中的岩石电性分层信息。用于解释工作面顶、底板隔水层厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度。

（4）立体成图。对不同深度进行类似“CT”成像的剖面、水平切片，分离出电法含水异常区域，可得到含水（或不含水）视电阻率低阻（高阻）异常剖面图、平面图，进行立体解释。

3 工程实例

工作面所采煤层为9号煤层，为石炭系太原组，回采受影响的为二叠系山西组砂岩含水层，含水岩系由细—粗粒砂岩组成，而以粗碎屑岩占比例大。含水层平均厚度18.37m。

据钻孔抽水试验资料，该含水层水头较高，水位埋深8.59m，降低水位111.06m，单位涌水量0.00197L/s·m。在一些钻孔处煤系地层直接与新近系下部砂砾石层含水层接触，煤矿开采中涌水量增大，故富水性不均一，平面上差别较大。

设计采用高分辨直流电法对工作面顶板富水性进行探查，在工作面两顺槽顶板施工，每10m一个点，极距范围为20～100m之间，探查工作面顶板70m范围内富水性，为工作面顶板防治水工作提供参考资料。

首先得到成果时视电阻率断面图，若地层不受富水区或含导水构造影响，煤系的电阻率有序变化，在视电阻率断面图上等值线变化稳定，呈似层状分布；当存在低阻富水区或含导水构造时，异常处电阻率值降低，等值线分布表现为扭曲、变形或呈密集条带等形状。

为了更加突出异常，对视电阻率-深度等值线断面图进一步处理，得到视电阻率断面异常图。

然后分析钻孔资料显示煤层顶板上35～45m之间为砂岩层，因此抽取9煤层顶板上40m附近平面图分析低阻异常区分布情况（见图1）。

图1 电法成果低阻异常平面图

图中用蓝色表示相对低的电阻率值。发现A、B、C和D号异常区域。A号异常主要位于工作面运输顺槽200～400m附近，异常向工作面延伸有限，异常分布范围大，异常强度中等；B号异常位于工作面运输顺槽500～650m附近，异常向工作面延伸有限，异常分布范围大，异常强度中等；C号异常主要位于工作面回风顺槽50～150m附近，异常向工作面延伸，异常强度中等；D号异常主要位于工作面回风顺槽700～900m附近，异常向工作面延伸，异常强度相对中等。上述四个异常区并未贯穿整个工作面，无明显异常条带性，说明此层位赋水性不均一。

经过钻探验证，在纵向高度40m附近A、B和C出现3～5m3/h出水在D区域出现20m3/h的出水，总放水量超过1万m3。工作面安全回采，未出现顶板出水现象，证实物探成果的准确率