杜家沟煤业地面探测浅层采空破坏区技术应用

宋丽超

（山西霍州煤电集团技术研究院，山西 霍州 041000 ）

杜家沟煤业所采的2#煤层埋藏浅，最浅处距离地面15～20 m，导致井田内小煤窑私挖滥采现象较严重。小窑采空破坏区大多为无序开采所形成的，无规律可循，在井下准确探明小窑采空破坏区较困难，矿井急需查清小窑破坏及2#煤层赋存情况，以便进行下一步的采掘布置。因此对2-104 采掘范围内的2#煤层赋存情况进行有效的探查，从而为钻探提供真实准确的耙区至关重要。

本次直流电四极测深法[1]探测使用YDZ（A）直流电法仪，主要从地面探测井下工作面内部小窑破坏及煤层赋存情况，确定相对低阻区，为矿井防治水提供精确的物探资料。

1 工作面水文地质概况

杜家沟煤业2-104 工作面地面位于河津市下化乡半坡村南部，为低山黄土丘陵地带，地表大部分黄土覆盖，沟谷发育，地形较复杂，无常年性河流。地表西北部有一条下半坡沟，无房屋建筑，工作面地表未发现断裂构造或地质塌陷区等可能威胁井下安全的地质体；工作面西部存在原杜家沟矿小煤窑破坏区，主采2#煤层，根据地面调查，小煤窑井口无漏风现象，已进行封堵。在2-1042 巷掘进过程中揭露了大范围的采空区，给生产带来了极大的安全隐患，钻探过程中经常出现钻探10 m 左右、甚至几米即不回水、卡钻等现象，也有可能发生局部采空区遗漏的现象。因此需要准确探查工作面内部小窑破坏情况，为防治水提供更加精确的钻探耙区。

2 设备及技术参数

2.1 使用设备

直流电探测仪器采用YDZ（A）直流电法仪。该仪器操作简便，自动化程度高，克服了大地游散电流、极化电位等因素的影响，抗干扰能力强，工作状态稳定，灵敏可靠[1-2]。

2.2 装置形式及技术参数

根据本次矿井电法的地质任务，结合矿井实际地质情况，决定直流电法采用四极测深装置进行数据采集[3]，四极测深装置及ρs曲线示意图如图1。电极排列和有关技术参数如下：

图1 四极测深装置示意图

（1）供电极距AB/2 最大60 m，可以保证探测深度不小于45 m；

（2）供电电流50～70 mA，可以保证足够的观测信号和信噪比；

（3）供电间距4 m，以保证足够的分辨率和数据采集密度。

3 测线布设

2-104 工作面沿东西方向布设，为保证探测效果并结合地面河沟环境确定本次测线沿南北方向布置，设计2 条测线分别为A、B，如图2 所示。测线A 布置18 个测点，测线B 布置9 个测点，具体设计测线测点数27 个，复查点 6 个，试验物理点5个。各条测线坐标见表1。

表1 测线端点坐标成果表

测线号 测点号 x y A A15 19 465 263 3 952 000 A A16 19 465 266 3 952 034 A A17 19 465 291 3 952 025 A A18 19 465 323 3 952 006 B B1 19 465 011 3 951 901 B B2 19 465 037 3 951 906 B B3 19 465 050 3 951 911 B B4 19 465 074 3 951 924 B B5 19 465 117 3 951 949 B B6 19 465 128 3 951 953 B B7 19 465 149 3 951 959 B B8 19 465 011 3 951 901 B B9 19 465 176 3 951 977

图2 测线示意图

4 数据处理及解释

由于探测范围内2#煤层埋藏深度为20 m左右，故处理得到15 m、20 m、25 m、30 m 不同深度的切片图。图3中纵坐标为测线间距，横坐标为测点号。图中标注的数值表示电阻率大小的变化。

图3 直流电不同深度切片成果图

正常情况下煤层一般表现为相对高阻，相对而言泥岩、砂岩视电阻率相对较低[4]。当存在积水煤层采空区（即地质异常体）时，地质异常体及其附近电性分布将使局部电阻率值降低[5]。根据相邻巷道钻探资料及地质情况分析该工作面内部小窑破坏区富水性较弱，主要是破坏区影响较大，从以上情况看出高阻区即为未被破坏的煤层范围。具体分析如下：为确定不同深度岩层的电性异常区域，按照上述的统计解释原则获得：（1）河沟下15 m 层段岩层的视电阻率值在234～843 Ω·m 间变化，平均值为510 Ω·m，标准偏差为101 Ω·m，该岩层段的异常阈值为476 Ω·m；直流电法浅层0～15 m 范围内曲线连续且显示为低阻岩层，预计为河沟内沉积淤泥。（2）河沟下20 m 层段岩层的视电阻率值在442～1022 Ω·m 间变化，平均值为716 Ω·m，标准偏差为135 Ω·m，该岩层段的异常阈值为671 Ω·m。根据该段岩层异常阈值确定2 处异常（分别为YC1、YC2），YC1 位于1#测线60～80 m 与2#测线20～40 m 之间两条测线内部,视电阻率值小于671 Ω·m，分析为煤层未被破坏区；YC2 位于1#测线120～150 m 与2#测线80～100 m 之间两条测线内部，视电阻率值小于671 Ω·m，分析为煤层赋存较好，未被大面积破坏。（3）河沟下25 m 层段岩层的视电阻率值在586～1155 Ω·m 间变化，平均值为827 Ω·m，标准偏差为108 Ω·m，该岩层段的异常阈值为791 Ω·m。根据该段岩层异常阈值确定1 处异常为YC3，YC3 位于1#测线110～130 m 与2#测线80～100 m 之间两条测线内部，视电阻率值小于791 Ω·m，该异常区地面位置与YC2 基本一致，分析为煤层赋存较好，未被大面积破坏。

图4、图5 分别为A、B 测线数据处理得到的成果图。图中纵坐标为探测深度，横坐标为测点号。直流电法浅层0～15 m 范围内曲线连续且显示为低阻岩层，预计为河沟内沉积淤泥；深度20～30 m 范围内曲线变化明显，预计受小煤窑采空破坏影响。综合分析得到下列结论：A、B 测线直流电圈定3 处低阻区，分别位于测线20～40 m、80～100 m、110～130 m 范围内，预计该处区域煤层破坏不严重，为煤柱区，其余范围煤层破坏严重。

图4 A 测线直流电成果图

图5 B 测线直流电成果图

5 实际应用效果分析

矿方在1042 巷掘进期间对揭露的小窑采空区、采空巷道资料进行了收集，并对地面直流电异常区进行了重点探查，如图6。图中黑色巷道为矿方实际掘进巷道，黑色虚线为揭露小窑巷道，黑色椭圆形为小窑破坏区范围，黑色图框（YC）为直流电圈定的低阻区即煤柱区。从图中可以看出掘进实际揭露与地面直流电探测结果基本一致。

图6 地面直流电异常与实际揭露对比图

6 结语

在地面采用直流电四极测深方法对浅层煤层赋存、小窑破坏情况进行探查，可以有效地指导矿方的安全生产，为矿井防治水提供翔实的物探资料。