礦井直流電法勘探技術(shù)應(yīng)用與分析

礦井直流電法勘探技術(shù)應(yīng)用與分析摘要:鄭煤集團(tuán)公司超化煤礦應(yīng)用礦用YDZ(A)數(shù)字直流電法儀進(jìn)行老空積水邊界、導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶、富水區(qū)探測(cè)，指導(dǎo)回采工作面底板預(yù)注漿加固處理工作，取得了良好的效果。實(shí)踐應(yīng)用表明:直流電法儀勘探方法針對(duì)性強(qiáng)，可節(jié)省大量的鉆探工程，并能有效防止礦井水害的發(fā)生。關(guān)鍵詞:礦井直流電法勘探;超前探測(cè);測(cè)深;相對(duì)低阻異常區(qū);防治水礦井直流電法勘探通過(guò)在井下巷道周?chē)鷰r層中建立全空間的穩(wěn)定人工電場(chǎng)，測(cè)量該電場(chǎng)的變化規(guī)律，求取巖層的視電阻率，繪制視電阻率曲線圖，從而達(dá)到了解巷道周?chē)鷰r層中的導(dǎo)水和含水構(gòu)造的目的［1］。為了科學(xué)有效地進(jìn)行水害防治，超化煤礦應(yīng)用礦用YDZ(A)數(shù)字直流電法儀，采用直流電法三極超前探、三極測(cè)深及四極測(cè)深技術(shù)進(jìn)行了大量的勘探工作，取得了良好效果。1基本方法1.1超前探測(cè)超前探測(cè)主要為三極超前探測(cè)，應(yīng)用于掘進(jìn)工作面，探測(cè)巷道前方含水?dāng)鄬雍透凰畢^(qū)范圍，其探測(cè)距離不超過(guò)80m。施工方法:布置供電極A1、A2、A3，間距4m，B為無(wú)窮遠(yuǎn)極，放線直線距離不小于300m，接收極M、N間距2～6m，M、N交替移動(dòng)，進(jìn)行測(cè)量。理論上M、N電極間距2m測(cè)量密度大，探測(cè)準(zhǔn)確率高，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)M、N間距太小則容易受到環(huán)境干擾，而M、N間距6m則測(cè)點(diǎn)密度低，因此現(xiàn)在普遍采用M、N間距4m，既提高了測(cè)量時(shí)的抗干擾性，又兼顧了測(cè)點(diǎn)密度，達(dá)到了最佳的探測(cè)效果(圖1)。1.2測(cè)深測(cè)深法有三極測(cè)深和對(duì)稱四極測(cè)深，探測(cè)距離均不超過(guò)80m，主要用于巷道底板破碎帶，隱伏構(gòu)造及頂、底板，側(cè)幫富水區(qū)的探測(cè)。①進(jìn)行三極測(cè)深(圖2)時(shí)，接收極M、N固定不動(dòng)，間距8m，B為無(wú)窮遠(yuǎn)極，放線直線距離同樣不小于300m，A為發(fā)射極，距接收極M或N4m，按A1、A2、A3…間距4m依次進(jìn)行跑極，進(jìn)行視電阻率的觀測(cè)。②對(duì)稱四極測(cè)深(圖3)是在巷道中以A、B為發(fā)射極，M、N為接收極，在測(cè)量過(guò)程中，A、B分別以4m為間距逐漸增大供電電極間距，M、N分別以1m為間距逐漸增大接收電極間距，對(duì)應(yīng)的垂直勘探深度將不斷增大。需說(shuō)明的是，進(jìn)行測(cè)深施工時(shí)，根據(jù)探測(cè)頂板、底板或側(cè)幫異常體的不同，要相應(yīng)地將電極打在巷底、巷頂或側(cè)幫上。三極測(cè)深對(duì)地下地電異常體的電性響應(yīng)最強(qiáng)，其異常分辨率比對(duì)稱裝置高，施工時(shí)基本可達(dá)到無(wú)盲區(qū)，適用于較短巷道內(nèi)施工。但由于是單點(diǎn)供電，所以測(cè)量信號(hào)較弱，探測(cè)深度相對(duì)較淺。四極測(cè)深的優(yōu)點(diǎn)是采集到的信號(hào)強(qiáng)、信噪比高，探測(cè)能力強(qiáng);缺點(diǎn)是施工時(shí)存在較長(zhǎng)的探測(cè)盲區(qū)。2應(yīng)用實(shí)例2005年，鄭煤集團(tuán)超化煤礦應(yīng)用礦用YDZ(A)數(shù)字直流電法儀進(jìn)行老空積水邊界、導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶、富水區(qū)探測(cè)，指導(dǎo)采面底板加固工作。2.1復(fù)采工作面掘進(jìn)期間超前探測(cè)老空積水邊界超化礦21052工作面全區(qū)位于原21051綜采面采空區(qū)內(nèi)，根據(jù)工作面及四鄰的水文地質(zhì)條件分析，21052工作面內(nèi)不存在大面積的老空積水，但不能排除局部存在少量老空積水的可能。超化礦防治水部門(mén)提出了對(duì)21052運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷先以直流電法超前探找出巷道前方的相對(duì)低阻異常區(qū)，確定是否存在老空積水，從而進(jìn)行有針對(duì)性的鉆探驗(yàn)證。如圖4所示，回風(fēng)巷掘進(jìn)面前方64m范圍內(nèi)無(wú)相對(duì)低阻異常區(qū)，經(jīng)分析無(wú)須進(jìn)行鉆探，可繼續(xù)掘進(jìn)。如圖5所示，運(yùn)輸巷掘進(jìn)面前方15～18m、47～55m段為相對(duì)低阻異常區(qū)，但經(jīng)分析，前一處相對(duì)低阻異常區(qū)可能為底板抬升所致，后一處相對(duì)低阻區(qū)可能為積水邊界，前方可能有老空積水，隨后進(jìn)行了鉆探，鉆進(jìn)至后一處低阻區(qū)時(shí)放出約50m3/h的老空積水。由于使用了勘探手段，使21052工作面掘進(jìn)期間鉆探的工程量大大減少，節(jié)省了鉆探時(shí)間、人力和物力，并緩解了采掘接替緊張的局面。2.2巖巷掘進(jìn)中超前探測(cè)導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶、富水區(qū)對(duì)巖巷或煤巷掘進(jìn)工作面而言，通過(guò)先施工直流電法超前探，可發(fā)現(xiàn)前方發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造異?；虻装甯凰畢^(qū)［2］。在超化礦31膠帶下山、31軌道下山的掘進(jìn)中，主要施工層位為L(zhǎng)7-8灰?guī)r，其水壓在3.0MPa以上，施工中有約10m3/h的底板涌水，隨著掘進(jìn)的深入，底板水有增大的趨勢(shì)，且如果掘進(jìn)中誤揭斷層，則有可能會(huì)造成突水，經(jīng)研究決定先對(duì)31下山進(jìn)行預(yù)注漿堵水，再進(jìn)行掘進(jìn)。根據(jù)直流電法勘探結(jié)果，對(duì)31下山施工前方的低阻區(qū)進(jìn)行超前預(yù)注漿治理，有效治理底板L7-8灰水，并防止了斷層突水。超化礦23071A工作面掘進(jìn)切巷時(shí)，在下切口處向南進(jìn)行了超前探測(cè)，發(fā)現(xiàn)下切口南18～22m段為一處相對(duì)低阻區(qū)(圖6)，分析可能有導(dǎo)水構(gòu)造存在，經(jīng)施工探巷證實(shí)，此區(qū)域發(fā)育1條落差達(dá)50m的導(dǎo)水?dāng)鄬?，?jù)此工作面切巷向西遷50m預(yù)留40m的安全煤柱，工作面安全回采。2.3在采面預(yù)注漿加固中的指導(dǎo)及驗(yàn)證作用在超化礦，對(duì)于底板承壓水水壓小于3MPa的回采工作面，如21091東工作面，利用直流電法勘探行底板測(cè)深，僅對(duì)勘探成果顯示的相對(duì)低阻異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證及注漿治理，既有效地防治了底板突水，又減少了底板注漿治理的鉆孔工程量和費(fèi)用。當(dāng)回采工作面底板承壓水水壓大于3MPa時(shí)，在對(duì)底板進(jìn)行全面預(yù)注漿加固的同時(shí)，將勘探成果顯示的低阻區(qū)作為重點(diǎn)治理對(duì)象，極大地提高了防治水工作成效。如22101工作面，工作面底板充水含水層主要有石炭系L7-8、L5-6、L1-3薄層灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)厚層灰?guī)r巖溶裂隙含水層。底板直接充水含水層L7-8灰?guī)r含水層通過(guò)斷裂帶與下伏C3t、L1-3灰?guī)r，甚至O2m灰?guī)r發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，會(huì)對(duì)二1煤層開(kāi)采造成較大影響。22101工作面貫通后，對(duì)此工作面實(shí)施了直流電法測(cè)深探查，工作面西部100m采用三極測(cè)深，東部采用對(duì)稱四極測(cè)深?？碧阶钚y(cè)深6m，最大測(cè)深45m(圖7、圖8)。從圖7可以看出，巷道底板中深部低阻區(qū)較多，且部分電阻率較低，應(yīng)為底板較為富水所致。從圖8可以看出，東段阻值較高，低阻區(qū)主要分布在中段，且中深部阻值小于40Ω·m的區(qū)段較多，可見(jiàn)中段底板富水性較強(qiáng)。結(jié)合直流電法勘探結(jié)果，對(duì)22101工作面進(jìn)行底板注漿以改造L7-8、L5-6、L1-3灰?guī)r含水層，將勘探結(jié)果中顯示的構(gòu)造破碎帶和巖溶裂隙等導(dǎo)水通道作為重點(diǎn)治理對(duì)象，以期達(dá)到預(yù)防O2m灰?guī)r水突水的最終目的。注漿加固結(jié)束后，重新以電法測(cè)深對(duì)22101工作面底板的富水性進(jìn)行了探查，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，視電阻率整體較原來(lái)提高了20～50Ω·m，特別是低阻異常區(qū)有明顯的增大。22101工作面在底板帶壓條件下安全回采，帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3資料分析解釋(1)成果剖面采用的是視電阻率梯度比值處理結(jié)果，數(shù)值的高低反映的是相對(duì)電性變化情況，不代表地層介質(zhì)的真實(shí)電阻率。(2)成果剖面上“低阻”數(shù)值的高低預(yù)示了前方介質(zhì)含水性的強(qiáng)弱，但這種關(guān)系并不是絕對(duì)的比例關(guān)系，而是與整個(gè)工作區(qū)域的背景值有關(guān)，分析時(shí)要引入“相對(duì)”的概念。(3)直流電法超前探測(cè)成果對(duì)前方界面的變化反映明顯，但當(dāng)異常的規(guī)模較大時(shí)，成果剖面可能只反映進(jìn)入異常體位置和穿出異常體位置。(4)含水導(dǎo)水構(gòu)造異常在成果剖面上呈現(xiàn)“低阻”反映，包括前方斷層導(dǎo)水、陷落柱、老空積水區(qū)、地層裂隙水等;空洞、干燥破碎帶呈現(xiàn)“高阻”反映，因此資料解釋時(shí)對(duì)異常區(qū)判斷具有多解性，這需要緊密結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，作出具體的分析，才能得出理想的結(jié)果。4結(jié)語(yǔ)目前，鄭煤集團(tuán)公司在回采工作面的水害評(píng)價(jià)中，已將直流電法勘探結(jié)果作為一項(xiàng)衡量底板含水層是否具有突水性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，如工作面存在相對(duì)低阻異常區(qū)，則必須采取相應(yīng)的防治水措施，以保證工作面正?；夭?。如工作面在回采前不對(duì)底板施工直流電法探測(cè)，則不予驗(yàn)收通過(guò)。可以看出，井下直流電法勘探是一種實(shí)用性、經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的行之有效