音频电透视技术在顶板富水性探测中的应用

2021-06-03高靖学

陕西煤炭 2021年3期

高靖学，高杬，闵鹏

(黄陵矿业集团有限公司双龙煤矿，陕西延安 716000)

0 引言

矿井水害是影响我国煤炭资源安全高效开采的重要因素之一[1]。随着我国煤炭资源的开采效率提高，继而对地质预测预报工作提出了更高的要求。目前，煤层顶板富水性探测的主要物探方法有矿井瞬变电磁法[2-3]、矿井直流电法[4]、矿井三维高密度电法[5]和音频电透视法[6]等。前3种方法对于顶板的探测，只能得到巷道上方垂向上的电性剖面，对于宽度较小工作面探测效果较好，对于宽度较大工作面的探测能力尚显不足。音频电透视法采用单巷发射，在对侧巷道进行扇形接收，探测结果能够很好地反映工作面顶板一定高度范围内的平面电性变化情况。

2号煤层是黄陵矿区的主采煤层之一，其开采易受到煤层上部含水层的影响[7]，进而影响煤矿生产安全。双龙煤矿2号煤层上部含水层在煤层开采后，采煤裂隙带发育至上部含水层，从而引起矿井涌水量增加，影响煤层安全回采。对此，采用矿井音频电透视技术对该工作面的顶板富水性进行研究，以期指导探放水工作，解除顶板水对煤矿安全开采的威胁。

1 矿井音频电透视技术探测原理

矿井音频电透视技术，是利用接地电极向巷道空间发射低频电流(小于120 Hz)，通过接收电极观测人工场源的空间分布规律，从而探测工作面顶底板一定范围内介质电阻率的一种方法[8-9]。从大的范畴来说，矿井音频电透视法仍属于矿井直流电法，因其施工方法、资料处理技术的差异及主要探测采煤工作面内部构造等原因而形成矿井音频电透视法分支。

1.1 矿井全空间点源场的分布特征

矿井音频电透视法以全空间电场理论为基础。均匀全空间中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为电位，mV；I为供电电流强度，mA；Em为电场强度，N/C；Jm为电流密度，A/m2；ρ为均匀空间介质电阻率，Ω·m；R为观测点M到点电源A的距离，m。

煤层与其顶、底板具有明显的电性差异。而煤层相对其顶、底板为高阻层，可用图1的3层地电模型来模拟上述电性组合特征。

图1 井下3层地电模型示意Fig.1 Schematic diagram of underground three-layer geoelectric model

根据镜像法，可以求出全空间内任意点的电位表达式为

(4)

式中，Ui,j为第i层的点源在第j层的电位，mV；ρi为第i层的电阻率值，Ω·m；kn(i,j)=F(L,d,θ,ρm)为反射系数函数；L为供电点至观测点的距离，m。

1.2 含水地质体对点源场的电位影响

含水地质体对点电源电场的影响，可以近似用负电偶极子表示

(5)

则低阻良导体产生一个负电位，如图2(a)所示。对于井下近似3层地电模型来说，其点源场电位表达式为

U=U0+Un

(6)

式中，U0为无局部地质体时的电位分布，mV；Un为局部地质体的异常场，mV。

根据式(5)、(6)可以看出，异常曲线(U/U0)是以点源A与地质体连线或其延线为对称轴的轴对称曲线，如图2(b)所示。异常幅度、宽度与异常体的大小、异常体与围岩的电性差异及距收发面的距离等有关。异常体规模(体积与含水强弱的综合反映)越大、与围岩的电性差异越大、距收、发面距离越小，异常幅度就越大；反之则越小。图2(c)为底板下存在含水体与不含局部水体等2种条件下电位测量曲线的比较示意图。

图2 含水构造的模拟及电位异常反映特征示意Fig.2 Simulation of water bearing structure and characteristics of abnormal potential

1.3 施工方法

矿井直流电透视法在实际施工时，常采用透视信号强、异常反应灵敏、施工效率高的轴向单极-偶极装置形式，如图3所示。这种装置形式将发射电极A和测量电极MN分别布置在煤矿工作面两侧巷道，即在一侧巷道供电(A极)，B(∞)极布置在无穷远处，在另一侧巷道相对应的扇形范围内进行接收(MN极)。测量时，沿巷道依次移动供电电极A，保证相邻供电电极的接收扇形有足够的重叠，完成单侧巷道的测量；再将发射和接收巷道互换，逐点依次对工作面进行探测，进一步增加观测覆盖次数，完成双巷测量。

Ai-供电点；Mk-接收点图3 工作面音频电透视工作方法示意Fig.3 Working methods of audio frequency electric perspective in working face

2 资料处理与解释方法

2.1 资料处理

主要采用人工交汇法和CT层析成像法来对矿井音频电透视采集数据进行资料处理和解释。人工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(高阻地质体的情况，则刚好相反)，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。层析成像法就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)的电位降数据来重建采面电性变化图像的方法。

设X为供电点与测量点之间的连线，ΔU为电位降，可以证明

(7)

式中，σ(x，y)为(x,y)位置的电性参数；C表示调节系数。

将整个研究范围剖分为J=M×N个单元，对研究空间进行离散，如图4所示。

图4 单元剖分Fig.4 Element division

假定第j条射线穿过I个单元，则第j条射线上的电位降表达式为

(8)

式中，rj,i分别为第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为第I个单元内的电性参数。

将所有各射线建立方程，则有

ΔU=x·δ

(9)

则所有问题转化为根据数据ΔU来计算δ的值。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。

2.2 解释原则

层析成像图件是以颜色分级的，原则上分多级，以便更细致地划分电性的递变规律。但实际解释中，应结合有关已知地质资料来划分级别，使物探资料更切合实际地质规律。异常性质则根据异常形态结合地质条件进行综合分析、推断。

3 实际应用

3.1 工程概况

双龙煤矿位于黄陵矿区中南部，煤矿主要地层为三叠统永坪组(T3y)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、下白垩统洛河组(K1l)和第四系(Q)。含煤地层为中侏罗统延安组(J2y)，2号煤层为全区唯一可采煤层，位于侏罗系延安组第1段中上部。影响2号煤层开采的主要含水层为直罗组下段砂岩含水层和延安组中部砂岩含水层，其中直罗组下段砂岩含水层富水性较强，延安组中部砂岩含水层富水性较弱。108工作面长度1 145 m，切眼长度235.5 m，煤层埋深268～174 m，煤层赋存稳定，煤层结构简单，煤层平均倾角3°,煤厚平均为1.85 m。工作面直接顶为灰黑色粉砂岩、黑色泥岩，基本顶为灰白色细粒砂岩；直接底为灰黑色砂质泥岩、灰黑色粉砂岩。2号煤层距直罗组下段砂岩含水层75～92 m，距延安组中部砂岩含水层8～30 m。根据邻近工作面2号煤层导水裂缝带探测结果和经验公式计算，108工作面导水裂缝带发育高度为26.7～86.6 m，平均为52.9 m。导水裂缝带发育高度小于2号煤层至直罗组下段砂岩含水层的距离，因此影响108工作面回采的主要含水层为延安组中部砂岩含水层。虽延安组中部砂岩含水层整体富水性较弱，当局部富水性较强时，仍会威胁工作面的正常回采。因此本次采用音频电透视手段来探查工作面上部延安组中部砂岩含水层相对富水区域，为矿井防治水工作提供依据，以降低矿井突水风险，确保工作面安全回采。

3.2 施工布设

矿井音频电透视施工时，每50 m一个发射点，每10 m一个接收点，两顺槽各布置24个发射点，116个接收点。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，每个发射点对应6或11个接收点，并进行了128 Hz和26 Hz这2个频率的数据采集，2个频率分别对应0～50 m和50～100 m这2个高度范围。

3.3 探测结果及分析

3.3.1 探测结果

图5和图6分别为108工作面顶板0～50 m范围和0～100 m范围的探测结果，横坐标为顺槽长度(以切眼与两顺槽交汇口位置为起算点)，纵坐标为切眼长度(以回风顺槽与切眼交汇点为起算点)，单位都为m。图中不同颜色表示电导率的高低，从蓝色、绿色、黄色、红色电导率依次减小。图5中，顶板0～50 m范围内电导率在9.4～14.0 S/m，平均值为11.0 S/m，标准差为4.8 S/m。图6中，顶板50～100 m范围内电导率在14.0～17.8 S/m，平均值为15.6 S/m，标准差为3.04 S/m。从2个不同高度层段岩层电导率平均值、标准偏差等参数比较可看出，0～50 m层段电导率小于50～100 m层段电导率，这与延安组中部砂岩含水层富水性弱、直罗组下段砂岩含水层富水性强的认识相吻合。

图5 108工作面顶板上0～50 m层段岩层视电导率Fig.5 Apparent conductivity of 0～50 m strata above roof of No.108 working face

图6 108工作面顶板上50～100 m层段岩层视电导率Fig.6 Apparent conductivity of 50～100 m strata above roof of No.108 working face

3.3.2 结果风险

YC1号异常区为直罗组底部位及延安组中部异常。直罗组底部异常位于切眼与运输顺槽交汇口向停采线方向60～150 m，切眼与回风顺槽交汇口向停采线方向210～510 m附近顶板上85～100 m范围，异常区贯穿两顺槽；延安组中部异常位于切眼与运输顺槽交汇口向停采线方向60～150 m、310～420 m，切眼与回风顺槽交汇口向停采线方向210～260 m附近顶板上10～50 m范围。推断该异常区为2煤顶板上方直罗组底部砂岩层富水性增强所致，下伏延安组岩层局部与直罗组砂岩沿裂隙导通使富水性增强。

YC2号异常区为直罗组底部异常，位于切眼与运输顺槽交汇口向停采线方向250～460 m附近顶板上90～100 m范围，紧靠运输顺槽，异常区沿工作面走向分布。推断该异常区主要为2煤顶板上方直罗组底部砂岩层富水性增强所致。

YC3号异常区为直罗组底部异常，位于切眼与运输顺槽交汇口向停采线方向640～740 m，切眼与回风顺槽交汇口向停采线方向660～720 m附近顶板上80～100 m范围。推断该异常区主要为2煤顶板上方直罗组底部砂岩层富水性增强所致。

YC4号异常区为直罗组底部位及延安组中部异常，靠近回风顺槽；直罗组底部异常位于切眼与运输顺槽交汇口向停采线方向1 050～1 150 m，切眼与回风顺槽交汇口向停采线方向1 100～1 150 m附近顶板上75～100 m范围，延安组中部异常位于切眼与运输顺槽交汇口向停采线方向1 100～1 150 m附近顶板上10～50 m范围。推断该异常区为2煤顶板上方直罗组底部砂岩层富水性增强所致，下伏延安组岩层与直罗组砂岩沿裂隙导通使富水性增强。

后期，针对音频电透视圈定的4处异常区进行了探放水工作，YC1异常区钻进至直罗组砂岩含水层出水，最大涌水量18.53 m3/h；YC3异常区YC1异常区钻进至直罗组砂岩含水层出水，最大涌水量4.59 m3/h；YC4异常基本无水。探放水结果表明本次音频电透视法对于工作面顶板含水层相对富水性探测效果良好。