直流电法在注浆中探查与应用

李 强

（山东能源肥矿集团，山东 肥城 271608）

直流电法具有抗干扰能力强，施工效率高，能直接反映地电体的特征等特点，其丰富的装置类型和成熟的理论技术能够满足不同类型的勘察任务。为了检验注浆的效果，本文以白庄煤矿9801 工作面为研究区域，利用直流电法探测9801 工作面注浆前后底板五灰、奥灰相对富水情况[1-5]，为煤矿安全生产提供保障。

1 工程实例

1.1 工区概况

白庄煤矿9801 工作面位于肥城市沙庄村以南，地面整体为一片向东北方向缓抬升的农田，工作面范围内有一条小路。地面标高：+81.33～ +85.85 m。该区域为-430 m 水平9800 采区东翼首采工作面，位于9800 东翼泄水巷以南，9803 工作面（形成通风系统）以西，八采区泄水（回风）巷、9800 集中皮带以东。该工作面上覆8 煤层采空区，相邻工作面8803、8805、8807 工作面于2014 至2016 年回采结束，8 煤层采空区与9 煤层间距为5.8～9.6 m，平均7.8 m。8 煤层采空区以上30.1 m 为7 煤层采空区，9 煤层下方4.5 m 为10 Ⅱ煤层。

1.2 水文地质条件

9801 工作面煤岩层整体呈单斜构造，走向86°～113°，倾向356°～23°。工作面煤岩层倾角较平缓，在1°～6°之间，平均3°。工作面回采范围内巷道揭露两条不导水正断层，落差0.6～0.8 m，回采过程中有可能揭露其他隐伏构造。

该工作面上覆7、8 煤层均已回采完毕。8 煤层工作面回采过程中证实上覆7 煤层采空区无老空积水；上覆8煤层回采结束后，出现滞后出水一处（8807工作面），最大水量为90 m³/h，经注浆封堵后残流水量为20 m³/h。9801 工作面注浆改造期间，对上覆8 煤层采空区残流水进行封堵，现无残流水。8煤层采空区面后设有专用泄水巷，实现自然泄水，9801 工作面不受老空水威胁。工作面回采范围内掘进巷道揭露两条落差分别为0.6 m 及0.8 m 的不导水正断层，附近100 m 范围内无导水构造，不存在巷道或者回采破坏断层防水煤柱现象。9801 工作面回采期间不受断层水害威胁。

该工作面五灰含水层厚2.2～7.0 m，平均4.1 m；上距9 煤层底板24.9～36.9 m，平均29.2 m。注浆改造前五灰含水层最大突水系数为0.121 MPa/m。奥灰与五灰层间距为4.1～9.6 m，平均6.2 m；上距9煤层底板33.2～47.9 m，平均39.5 m。注浆改造前奥灰含水层最大突水系数为0.148 MPa/m。

1.3 地球物理特征

9801 工作面底板岩层主要由粉砂岩、砂岩、泥岩、灰岩和煤层等组成，成层性较好，其电阻率与岩性对应，具有较好的规律性，不同岩层电阻率存在较明显差异。如果岩层破碎并富水，则其导电性增强，电阻率降低。下伏的五灰、奥灰等灰岩含水层，不富水时电阻率很高，如果岩溶裂隙发育且富水，灰岩的电阻率将大幅度降低。因此应用直流电法技术进行底板富水性探查具有较好的物性条件。

2 直流电法物探布置

2.1 基本原理

直流电法是以煤岩层之间的电阻率差异为物理前提，在了解煤岩层电阻率及其影响因素的基础上，开展对矿井的电法探测工作[1]。其原理是将直流电源的两端通过埋设地下的两个电极向大地供电，在地面以下的导电半空间建立起稳定电场[2-4]。该稳定电场的分布状态决定于地下不同电阻率的岩层（或矿体）的赋存状态，从地面观察稳定电场的变化和分布，可以了解地下的地质情况[5]。

2.2 施工设计

本次直流电法探查数据采集在工作面轨道、运输顺槽进行，注浆前后，分别在巷道底板依次布置电极和电法测线，采用AM 装置，电极距5.5 m，共布设2 站，第一站布设电极52 个，第二站布设电极52 个，共布设电极104 个，测线总长度561 m。每次数据采集都进行了2 次以上的重复采集，保证了数据采集质量。

3 结果分析

直流电法数据采集工作完成后，将采集到的数据进行整合与处理，得到注浆前后视电阻率剖面图（图1、图2）。为了更直观地了解各区域岩石视电阻率的变化情况，坐标系选取9801 工作面轨道顺槽K4 点后5.5 m处为平面直角坐标系原点（0，0），沿9801 轨道顺槽方向指向9801 切眼为X 轴正向，垂直9801 轨道顺槽指向9801 运输顺槽为Y 轴正向，在此基础上来观察注浆前后异常区的变化。

图1 注浆前工作面切片图

图2 注浆后工作面切片图

注浆前，五灰段相对低阻区以视电阻率值小于30 Ω·m 为基础圈定，分析得出该工作面五灰视电阻率相对低异常区3 个；奥灰段相对低阻区以视电阻率值小于35 Ω·m 为基础圈定，分析得出该工作面奥灰视电阻率相对低异常区3 个。分析如下：

五灰异常区如图1（1）所示，其中1 号异常区位于X=18～81 m、Y=6.5～33 m，对应于9801 轨道顺槽导线点K5 点前10 m 到K6 点后28.5 m 之间，长度约63 m，视电阻率值＜30 Ω·m。

2 号异常区位于X=79～94 m、Y=68～84 m，对应于9801 运输顺槽导线点C13 点后11.5 m 到C13点后26.5 m之间，长度约15 m，视电阻率值＜30 Ω·m。

3 号异常区位于X=140～192 m、Y=11.5～84 m，对应于9801 运输顺槽导线点C12 后1 m 处到C10点之间，长度约52 m，视电阻率值＜30 Ω·m。

奥灰异常区如图1（2）所示，其中1 号异常位于X=19.5～82 m、Y=4 ～35.5 m，对应于9801 轨道顺槽导线点K5 点前8.5 m 处到K6 点后29 m 之间，长度约62.5 m，视电阻率值＜35 Ω·m。

2 号异常区位于X=78～94 m、Y=68～84 m，对应于9801 运输顺槽导线点C14 后19.5 m 处到C13点前12 m 之间，长度约16 m，视电阻率值＜35 Ω·m。

3 号异常区位于X=136～199 m、Y=8.5～84 m，对应于9801 运输顺槽导线点C12 点后6 m 处到C10 点前6.5 m 之间，长度约63 m，视电阻率值＜35 Ω·m。

总体来看异常区位于X=18～91 m、Y=4～35.5 m；X=78～94 m、Y=68～84 m；X=136～199 m、Y=8.5～84 m 范围内，视电阻率值相对低的范围较大。

注浆后，五灰段相对低阻区以视电阻率值小于15 Ω·m 为基础圈定，分析得出该工作面五灰视电阻率相对低异常区2 个；奥灰段相对低阻区以视电阻率值小于24 Ω·m 为基础圈定，分析得出奥灰视电阻率相对低异常区1 个。分析如下：

五灰异常区如图2（1）所示，其中1 号异常区位于X=13～108 m、Y=7～56 m，对应于9801 轨道顺槽导线点K5 点前15.5 m 到K6 点后55 m 之间，长度约108 m，视电阻率值＜15 Ω·m。

2 号异常区位于X=145.5～171 m、Y=39.5～80.5 m，对应于9801 运输顺槽导线点C12 前4.5 m 处到C11 点前15 m 之间，长度约25.5 m，视电阻率值＜15 Ω·m。

奥灰异常区如图2（2）所示，该异常区位于X=30～118 m、Y=9～67 m，对应于9801 轨道顺槽导线点K5 点后1.5 m 处到M6 点后10.5 m 之间，长度约88 m，视电阻率值＜22 Ω·m。

注浆后，异常区总体位于X=13～118 m、Y=7～56 m；X=145.5～171 m、Y=39.5～80.5m 范围内。工作面内视电阻率较低的范围明显减小。

对比注浆前后工作面切片图，可以发现五灰、奥灰低阻异常区明显减少，并且工作面总体视电阻率值明显降低，说明注浆后岩层电阻率增大。

4 结论

（1）注浆前，对研究区域进行直流电法探测可以有效探测出底板岩层相对赋水情况，从而指导注浆工作的开展，极大地提高注浆效率。

（2）注浆后，通过对比注浆前后视电阻率的变化，发现注浆处理后研究区域电阻率值显著增强，低阻异常基本消失，说明此次注浆对工作面底板改造效果显著，注浆效果较好。

（3）实践证明，应用直流电法探测技术，检测工作面底板含水层注浆改造质量，发现注浆隐患，对隐患区域进一步进行注浆加固，确保注浆改造效果，防止底板五灰、奥灰突水，为煤矿安全生产提供了保障。