矿井下探测含水导水构造的物探方法

矿井下探测含水导水构造的物探方法

王举

鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯010321

摘要：煤矿井下用物探方法探浏含水、导水构造，是保障大水矿井安全生产的有效方法。为了查明某矿5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况，并对其进行突水危险性区域划分及评价，采用瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法综合勘探。结果表明：位于切眼往外（0-250）m范围内，工作面底板相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性强，导高大，且煤层内部较不均匀，存在多条5m以上落差含水断裂破碎带，此区域突水危险性最大；突水可能性较小；工作面其他区域都较安全。物探比单一物探更具有准确性和可靠性，更符合工程实际情况，为采取针对性的治理措施从而实现安全回采提供了参考依据。

关键词：矿井；物探；瞬变电磁法

地下水透人矿井大部分是由于采、掘工程接近或揭露了含水、导水构造，或是由于采掘活动改变了岩体自然状态，在矿压和水压作用下破坏了天然隔水层造成的，轻者增大排水量，提高吨煤成本，重者淹掉工作面或矿井，造成重大经济损失和人身伤亡。此类事例的不断发生，促进了各种井下物探方法的研究。某矿5-101首采工作面地表属剥蚀侵蚀低中山地貌类型，地面标高（+1560-+1670）m，覆岩厚度（314-525）m，工作面为+1100m水平首采区首采工作面，走向长约550m，倾斜宽约105m，巷道为锚网（部分为工钢）支护，底板标高（+1220-+1299）m，奥灰水位为+1467m，属于带压区，开采煤层为5#煤层，煤层倾角平均35°，厚度约10.3m，5#煤层顶板以碳酸盐岩类为主，岩石强度较高，岩体结构多为块状结构，顶板稳定性较好；底板多数岩石为软岩，围岩质量较差，稳定性也差。

一、探测方法及原理

根据矿井地质和水文地质条件，对各种物探方法的特点，选择井下瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视技术三种方法相互配合实施勘探，探测工作面底板岩层赋水状况及内部隐伏断裂构造带、陷落柱等异常体，为工作面安全顺利回采提供参考依据。

1、瞬变电磁法。通过向地下发射一次脉冲磁场，在磁场间歇期间观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。因为二次感应涡流场的强弱与地下介质的电性有关，电阻率越高引起的涡流场越弱，而岩层破碎尤其富水时电阻率值较低，所以通过观测涡流场可计算出地下介质的电阻率，进而达到探测分析地下地质体的目的。

2、直流电法。是以地下介质的导电性差异为基础，通过一对接地电极把电流供入大地中，形成稳定电流场，再通过另一对接地电极观测电位差信息用来计算介质的电阻率，因为富水区域视电阻率低，从而根据视电阻率曲线可探测出地下富水区。

3、无线电波透视法。是根据高频无线电波在地下不同介质中传播时的衰减特征来判断介质特性，因为电性不同的各种岩、矿体等介质对电磁波能量的吸收性不同，造成电磁波能量衰减程度也不同，如低阻性岩层、断层和破碎带等会造成电磁波能量较强衰减。因此在两条相对巷道分别放置发射机和接收机对工作面内部进行无线电波CT扫描时，能量衰减较强区域会使无线电波信号微弱或者消失从而形成透射异常阴影区，结合其他资料就能推断、解释工作面内部存在的地质异常体状况。

二、综合物探应用

1、瞬变电磁法的应用。勘探采用该公司生产的PROTEM+TEM-47瞬变电磁仪，接收线圈带前置放大器，具有多种提高信噪比功能。受空间限制，采用多匝2m×2m矩形回线，发射线框18匝，接收线框36匝，叠加次数128，发射电压6V，发射频率25Hz，抑制系数3，测点点距为10m，分别在5-1011巷底板垂直下方和工作面里帮斜下方30°、在5-1012巷底板垂直下方和工作面里帮斜下方60°四个方向进行探测，探测时为减小干扰，探测区域内暂停供电、清理积水、浮煤和可移动金属物或与金属物保持一定距离，并通过前置放大器提高信噪比，现场数据总体相对稳定，经干扰剔除、校正等技术处理，探测结果可以使用。探测数据经全空间瞬变电磁数据处理软件GOTEM处理得到瞬变电磁勘探各方向视电阻率断面处理流程为：新建工程、测线拆分组合、道参设置、屏蔽校正、圆滑处理、晚期电阻率计算、输出结果。

本次勘探盲区约为15m，根据以往探测经验，以视电阻率值小于3的区域为相对低阻异常区。低阻区的岩层一般相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性更好。可见，位于切眼往外（0-250）m处，即图中XC1、XX1、SC1和SX1四个低阻异常区范围大，导高相对较大，回采时底板突水可能性较大，需要重点注意；切眼往外（300-380）m，即XC2、XX2、SC2和SX2四个低阻异常区范围和导高中等，回采时有发生突水的可能；其它几个低阻异常区范围小且导高小，回采时无危险。

2、直流电法的应用。勘探采用YDZ（A）型防爆数字直流电法仪，为减少干扰提高可靠性，采用四极测深法，探测时电极要打在实底或实煤上，确保接地良好，要尽量避开积水防止短路，远离铁轨等金属物0.5m以上。依据巷道实际情况、探测要求和以往经验，本次测深点距为25m，每个巷道布置21站，最大电极距64m，总共完成672个物理点。工作面巷道接地条件相对均匀，勘探时供电电流较大并采用同站同极距多次复测，从中优选数据，确保原始数据采集符合规程规定。数据整体较为稳定，结果可靠，经处理得到直流电法勘探视电阻率断面图，如图所示。

根据以往探测经验，以视电阻率值小于30的区域为相对低阻异常区，此值越小表示此处富水性越好。由图可见，除DS3低阻异常区范围和导高较小外，其它几个低阻异常区（DX1、DX2、DS1和DS2）范围和导高都较大，其中内部存在部分视电阻率值较小区域，这也意味着工作面回采时发生突水的可能性大，需重点注意。

3、无线电波透视法的应用。煤层内部陷落柱、断层等处容易发生突水等事故，通过无线电波透视可圈定煤层异常区，虽无法探明底板构造和蓄水情况，但结合前两种物探探测结果、掘进揭露情况和打钻出水情况可综合分析判定构造导水情况和回采时的突水危险程度，为在危险区域加强防范措施提供重要依据。勘探采用重庆研究院生产的WKT-E型防爆无线电波透视仪，采用透射CT扫描交绘法，从行业技术规范考虑到工作面的倾斜宽约为105m，为减小盲区，发射点距为30m，接收点距为10m，为减少干扰提高数据可靠性，探测时各测点与接收机都在同一煤层中、暂停供电、清理积水和远离金属物。得到的数据整体相对稳定可以使用。采用重庆研究院研制的专用坑透资料处理软件系统WKTCT处理数据，通过对数据进行计算、CT处理和分析，得到5-101工作面无线电波透视CT扫描成果，无线电波透视CT扫描成果，本次勘探范围内存在两个大范围无线电波透视异常（阴影）区，由里往外分别标记为K1和K2，工作面其他区域比较正常，煤层相对均匀。K1和K2异常区贯穿工作面，异常幅值很高，内部较不均匀，主要系多条小角度5m以上落差断裂破碎带和大范围煤层变薄区的综合反映，其中KF1、KF2和KF3断层在巷道掘进时已被揭露证实，KF4为新发现断层。所以在工作面回采过程中对这两处异常区要足够重视，尤其注意图中所圈区域。

通过瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法对5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况进行了探查，根据综合物探结果，从底板富水性和煤层导水构造综合对比分析突水危险性，从而更准确地划分工作面突水危险区域。同时证明这是一种简便快捷有效可靠的综合物探方法，为以后相似地质条件综合物探的应用提供了参考。

参考文献：

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