电法在煤矿水害隐蔽致灾因素探查中的应用

李学潜

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

近年来，随着煤炭工业的快速发展，煤矿水害日益突出，矿井水文地质条件日趋复杂，为贯彻落实十六字防治水原则，即“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的要求，电法勘探技术在煤矿水害隐蔽致灾因素探查中得到了广泛应用。武强等指出电法勘探技术在充水水源、导水通道、老空区探查等方面取得了一定成果[1]。梁庆华以山西和尚嘴煤业为例,分析了矿区水害特点,采用井上下物探与钻探综合探查手段,查明了隐蔽致灾因素[2]。董书宁等从充水水源特征、导水通道的性质探查入手提出了煤层顶、底板水害探查技术及装备,导水陷落柱探查、治理技术与装备[3]。程久龙等介绍了近几年来地球物理方法在地质构造、岩层含水性超前探测等方面的最新进展与展望[4]。李文等从煤炭开采过程中遇到的常见含/水地质异常体种类和特征为切入点,研究了各种矿井地球物理勘探方法优缺点及应用场景,并对一些综合物探应用案例进行了分析[5]。还有一些学者在高密度电法[6-8]、瞬变电磁法[9-11]、无线电波透视法[12-13]、直流电法[14-16]等方面进行了相关研究，在水害探查方面取得了良好效果。

1 水害隐蔽致灾因素特征

煤矿水害隐蔽致灾因素是指隐伏在煤层及其围岩内、在开采过程中可能诱发水害的地质构造和不良地质体,具有隐蔽性、突发性、探测难度大等特点,主要有以下几类：

1)积水采空区。我国煤炭资源经历多年开采，浅部资源逐渐枯竭，煤矿逐渐转向深部开采，上层煤开采后常形成的积水采空区，小煤窑乱挖乱采形成形态复杂的采空区。这些采空区内通常会受到大气降水及基岩裂隙水等的补给而产生大量积水。老窑积水采空区是造成矿井水害事故频发的原因之一,空间分布形态、赋存规律复杂，积水来势凶猛,破坏性大是其最显著的特点。

2)陷落柱。陷落柱是煤系地层下伏灰岩地层在岩溶侵蚀作用形成的溶洞规模不断扩大，直至出现垮塌,垮落空腔发育至上覆煤系地层中并被岩石充填形成的柱状堆积体，其对煤矿安全生产危害极大。尤其是因隐伏陷落柱沟通岩溶水导致的突水具有突水量大、突水前不易发现等特点。

3)断层。断层缩短了采掘空间与含水层之间的距离,并通过断层破碎带、裂隙带将承压水导入采掘空间。断层两盘的移动使采掘空间与含水层的相对位置发生改变,导致有效隔水层厚度的减小,甚至会与断层另一盘的含水层直接对接。断层突水具有较强的隐蔽性和难确定性,易造成重大灾难。

4)封闭不良钻孔。矿区地质勘查时布置了大量的钻孔，部分钻孔因封堵材料量不足等原因形成了封闭不良钻孔。当钻孔充水或与地表、井下不明水体、含水层连通时，受采动影响或直接揭露钻孔可能诱发突水事故。封闭不良钻孔具有较强的隐蔽性，探测难度较大。

2 电法勘探方法

1)矿井直流超前探测。在井下建立人工点电源场，对于点电源来说，其球壳上的电位具有球对称性。在地下巷道内工作面供电点的后方就可以探测前方对称位置的电场情况以预报掘进头前方含、导水体构造分布。

2)音频电穿透法。音频电穿透法利用低频交流视电阻率在一定条件下近似等价于直流电法视电阻率的原理，使用低频交流单频测量，利用相对简单的直流电法方法原理解释。

3)瞬变电磁法。瞬变电磁法是一种感应类时间域电法，该方法以接地或不接地导线向地下发射脉冲电磁场，瞬变电磁仪接收的信号是目标体在激发场(一次场)作用下产生的涡流场(二次场)的电动势，对二次场空间分布特性和时间特性进行观测和研究，根据反演得到的视电阻率可以推断解释如陷落柱、采空区、断层等含水导水地质构造。

3 隐蔽致灾因素探查效果

3.1 矿井直流电法超前探测老窑采空区

中国中煤能源股份有限公司平朔分公司某矿由于矿区内老窑采空区分布不清、有无积水未知，成为9号煤掘进工作的安全隐患。采用矿井直流超前探测技术探查老窑采空区、断层等含水或导水地质构造。图1为9号煤南翼主运大巷6号测量点前24 m的巷道迎头位置直流电法顺煤层超前探测结果。

探测结果：共发现2个低阻异常，一号异常低阻异常区位于掘进迎头前方40 m～44 m处，二号异常低阻异常区位于100 m～108 m处。当矿方掘进至掘进迎头前方43.3 m处时发生老窑透水事故，最大突水量约9 000 m3/h，造成工作面迅速被淹所幸未造成人员伤亡。后期矿方排干水后对二号低阻异常区进行钻探验证，结果证实其为老窑积水采空区。

宁夏石嘴山某矿回风斜井掘进迎头超前探测成果如图2所示。共发现3个低阻异常，编号为一号异常、二号异常和三号异常，分别位于迎头前方0 m～6 m，49 m～56 m和78 m～80 m处。后期对异常特征比较明显的一号异常进行钻探验证，结果未发现明显的地质异常，推断物探异常为岩层裂隙水的反映。对二号异常进行超前钻探，结果表明前方为采空积水区，共疏放积水约22 000 m3。三号异常为局部破碎带。

3.2 音频电穿透法探测陷落柱

准旗某煤矿6号煤层全井田奥灰带压，下伏奥灰含水层将对煤层开采形成严重威胁。因此在工作面回采前，采用巷道电透视对工作面内可能发育的垂向导水通道进行探测。结果如图3所示。

探测结果：异常在底板下0 m～80 m范围内均发育，为垂向联通的低阻异常体，推测为垂向含水体。验证结果：在钻孔未进入异常范围内时出水量均小于10 m3/h，钻孔进入物探异常范围内后，出水量呈现明显增长趋势。目前该异常区已放水超过120万m3。组织防治水专家组对工作面物探异常区探查召开专题会议。根据防治水专家组会议意见，工作面物探异常区基本确定为导水陷落柱。

3.3 矿井瞬变电磁法探测封闭不良钻孔

山西某矿一批钻孔因成孔时间较早，其准确钻孔位置和钻孔封闭情况不明，成为隐蔽致灾因素。根据前期收集的地质资料，某封闭不良钻孔位置位于该矿2301辅运巷掘进迎头附近。但是钻孔的孔斜及封孔资料不详。采用瞬变电磁探法探查该钻孔的封堵情况，结果见图4。

探测结果:在巷道迎头正前方40 m有一个圆形的异常区域，该异常区位置与收集的地面钻孔的位置较为接近，因此将其解释为钻孔的反映，且钻孔的孔斜度较小。由视电阻率推断该钻孔在煤层附近富水性较弱，没有与深部的灰岩水直接导通的通道。验证结果：矿方在提交资料后，在异常区域以顺掘进方向偏左15°方向布设了90 m超前钻孔，终孔无水。本次瞬变电磁法探测区域划定的钻孔位置与实际地面钻孔位置基本吻合。

3.4 地面瞬变电磁法探测采空区

内蒙古某露天煤矿西部为宝马矿业(现已关停)，现有资料反映宝马矿业越界开采该露天煤矿境界内煤炭资源，形成采空区，其位置不明、积水情况不详。上述越界开采不但给露天煤矿带来较大的资源损失，而且目前轮斗挖掘机工作面已经处于采空区上面，给轮斗挖掘机生产带来极大的安全隐患。采用地面瞬变电磁法探测越界开采6煤的采空区分布范围和积水状况，结果见图5，图6。

探测结果：图5为测区内8线反演电阻率断面图，图中电阻率由浅至深的变化趋势整体呈现“高～低～高～低”的变化特征，煤层附近电阻率等值线发生明显扭曲变形，呈明显的低阻异常特征，推断煤层附近低阻异常为6煤采 空区积水的电性反映，图6为6号煤层采空区分布范围推断成果图，为根据每条反演电阻率断面图特征、参照已知地质、钻孔资料推断而来。图中有2处根据瞬变电磁推断的采空区，验证结果：后期布设的验证钻孔ZK2,ZK3。在推断6煤采空区分布范围内，上述两个钻孔均打到6煤采空区，且采空区内部存在部分积水。

4 结语

通过将电法勘探技术应用于煤矿水害隐蔽致灾因素探查，为煤矿安全开采提供了一定的技术保障。实例证明该方法是可行的，探查效率高、探查准确。