煤层底板灰岩含水层电法探测技术应用

【摘 要】煤层底板下的灰岩含水层给煤矿的安全开采带来很大的隐患，提前探明煤层底板灰岩水体发育位置，为在井下布置探放水钻孔提供依据，是目前井下地球物理勘探亟待解决的问题。本文介绍了采用网络并行电法对恒源煤矿Ⅱ6112工作面的底板水探测的工程实践，表明该方法较准确地查明了工作面底板岩层内富水区的分布范围。

【关键词】物探技术；煤层底板；灰岩水；网络并行电法

引言

我国的许多煤矿已进入或正在进入下组煤开采阶段，下组煤开采面临的最大挑战是来自煤层底板灰岩含水层的突水威胁。灰岩水具有水压高、水量大、连通性强、突水通道难发现、突水治理困难等特点。如何准确地查明底板水，特别是底板灰岩水赋存分布范围，对工作面进行防治水工作、消除突水威胁、保障工作面安全合理开采，具有重要的指导意义。电法物探技术自提出以来，进行了大量的模型和现场试验，在煤层地质异常探测上也进行了尝试，取得了明显的效果。本文探讨了网络并行电法在恒源煤矿的应用情况，旨在为煤矿工作面水害防治提供新的探测手段。

1 地质-地球物理特征

从电性上分析不同地层的电性分布规律为：煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上存在固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在含水的构造破碎带时，则其导电性变好，相当于存在局部低电阻率值地质体。综上所述，当含水断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，会打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。

2 网络并行电法基本原理

网络并行电法系统由PC机、测量主机、电极阵列和电缆系统组成。目前所研制的仪器为集中式64道电极。传统的多道电成像采集系统在每个采样位置只有四个电极点在工作，两个电极供电，两个电极测量，其余电极闲置。网络并行电法系统每一电极都能自动采样。各电极通过网络协议与主机保持实时联系，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于供电状态（即供电电极A或B），否则一直处于在电压采样状态（即测量电极M），并通过通讯线实时地将测量数据送回主机。通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样，采样过程没有空闲电极出现。所采集的数据可进行自然电位、视电阻率和激发极化参数等数据处理。

（a）单点电源场 （b）双点异性电源场

图1 网络并行电法系统电位数据采集图

根据电极观测装置的不同，网络并行电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法。AM法观测系统所测量的电位场为点电源场（图1（a）），该装置与常规二极法类似，布置时采用2根无穷远线（∞），1条作为供电电极B极，1条作为公共N极，提供参照标准电位，当测线任一电极供电时（A极），其余电极同时在采集电位（M极）。对AM法采集数据，可以进行二极、三极装置的高密度电法反演和高分辨地电阻率法反演。ABM法采集数据所反映的是双异性点电源电场情况，为一对电流电极AB供电，1根无穷远线作为公共N极，提供参照标准电位，整条测线的其他电极均采集电位值（M极），没有空闲电极存在，如图1（b）所示64个电极测线电位测量情况。对ABM法采集的电位、电流值，可以进行对称四极、偶极装置和微分装置的高密度电法反演。

3 工程应用

3.1 工程概况

恒源煤矿Ⅱ6112工作面位于Ⅱ61采区下部的东部边缘，孟口断层的下盘，东部（切眼外）为落差在0～70m的采区边界断层—孟口逆断层，南部为尚未布置采掘工程的Ⅱ6110工作面，西部为二水平轨道及运输下山，北部为二水平北翼轨道大巷。工作面设计为走向长壁式综采工作面，设计走向长970m，倾斜宽200m。Ⅱ6112风巷标高在-578.3～-597.5m；机巷标高在-553.6～-568.5m，切眼标高在-551.5～-588.5m之间。该工作面底板深度50米左右以下为太灰地层，工作面生产受灰岩水威胁，需进行底板防治水工作。

本次探测区主要II6112机巷外侧二水平北翼大巷，拟在该范围进行探放水工作。本次采用网络并行电法探测技术，主要的探查内容为：一是巷道底板深度80m内灰岩地层电性变化情况；二是评价工作面底板80m内灰岩地层相对富水区赋存情况，为底板探放水提供地质依据。

现场探测在二水平北翼大巷施工网络并行电法测线，共施工电法测线2站，每站布置电极数为64个，电极间距5.0m，共630m，控制巷道长度600m。每站均采集二组AM法数据，数据电流电压变化情况完全一致，电场稳定。

3.2 电法综合分析结果

高密度电测深结果更客观地反映了原始地电场的变化特征，而三维电法结果较直观地反映电阻率异常区的空间位置，突出了异常特征。以二者的区域之和作为低阻区的范围（为粗黑线圈定区域），把两者的交集部分作为重点防治水区（为粗红线圈定区域），如图2所示，探测结果如下：

（1）YC1：该范围断层及裂隙发育，在电测深及三维电法上低阻表现显著，影响范围大，为较强相对富水区。其中Z-1为该范围核心防治水区；

（2）YC2：该范围在电测深上低阻表现显著，在三维电法上低阻表现不明显；

（3）YC3：该范围在电测深及三维电法上低阻表现显著，影响范围大，为较强相对富水区。其中Z-2为该范围核心防治水区；

（4）YC4：该范围在电测深上低阻表现显著，在三维电法上低阻表现不明显。该范围为断层裂隙带，可能含。

4 结论

（1）利用网络并行电法原理探测工作面底板富水情况，工作方法较为简单可行，为工作面水害防治提供了有效的地球物理勘探手段；

（2）利用网络并行电法探测技术，可较清楚地反映工作面底板富水区的范围，实现富水区三维空间定位，有力地指导钻孔探放水及钻孔注浆工程施工。

参考文献：

[1]郭纯，邢文平，李文军. 瞬变电磁技术在煤层底板含水层注浆改造中的应用[J].煤田地质与勘探，2006，34（4）.

作者简介：

赵瑞明，男，1976年4月出生，安徽怀远人，2007年毕业于中国矿业大学矿井地质专业，现在皖北煤电集团恒源煤矿生产技术部工作。