音频电透视在煤层底板富水性预测中的应用

胡永达

(1. 合肥工业大学管理学院，安徽合肥230009；2. 安徽省淮北市煤炭 局，安徽淮北235000)

摘要： 音频电透视技术是矿井防治水工作的主要物探手段之一，利用音频电透视的基本原理 及底板局部富水体对点源场的电位影响特征，对淮北刘东煤矿工作面煤层底板富水异常区进 行了探测，确定了不同深度范围内岩层视电导率的分布特征及富水性，为煤矿底板防治水工 程设计提供依据。

关键词：音频电透视；电导率；富水性

中图分类号：TD166文献标识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02001504

Application of Audiofrequency Electric Clairvoyance in Forecast of Coal SeamFloor Water Abundance

HU Yongda1,2

(1. School of Management, Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,Chin a;2. Huaibei Coal Industry Bureau,Huaibei Anhui 235000,China) Abstract: Audiofrequency electric clairvoyance technology is one of the primarygeophysical methods in coal mine water disaster prevention. Based on the primar y principle of audiofrequency electric clairvoyance and the characteristic ofs eam floor partial abundance water influence on electric potential of point sourc e field, abnormal water abundance regions in coal seam floor of Liudong Coal Min e, Huaibei Mining Group Company were detected, and electrical conductivity distr ibution characteristic and water abundance in different depth of strata were det ermined, which provides a basis for floor water control project design in coal m ines.

Key words:audiofrequency electric clairvoyance; electrica l conductivity; water abundance

随着煤炭开采深度不断增大，矿井地质条件变得越来越复杂，突水强度和突水频率也在 增加，在皖北地区10煤层底板水害给煤矿安全生产带来严重威胁，造成极大的经济损失［1］。因此，探 测煤层底板富水性异常区分布，对底板水的防治具有重要意义。矿井音频电透视技术是目前 应用较广泛的物探技术之一［25］，音频电透视仪有较强的抗干扰能力。本文以 新光集团淮 北刘东煤矿为例，利用音频电透视技术探测10煤层底板富水异常区，为煤层底板水的防治提 供依据。

1地质条件

刘东煤矿61005工作面为该矿目前的最深部水平，位于土楼背斜的东北端，工作面东至 北六轨道下山保护煤柱线，西至F64断层，上至61003运输巷道，下至61005工作面运 输巷道工作面，其轨道巷标高-566.50 m，上方61003工作面开采已结束。受区 域构造的影响，工作面断裂构造比较发育，所揭露断层大多数为倾向正断层，落差在3~5 m之间。地层产状变化比较大，由东到西地层倾角呈现增大趋势，地层走向在220 °~345°之间。根据相邻煤矿10煤层开采情况，在工作面开采深度范围内，正常地带底板 太灰水对工作面安 全开采不会造成太大的影响，但如受到断裂构造的影响，10煤层底板的完整性遭到破坏，开 采将会受到底板灰岩承压水的威胁。

根据钻孔资料以及井下巷道实测资料揭露，10煤层距下部太原组第一层灰岩40~50 m，其岩性主要由粉砂岩、细砂岩、海相泥岩组成，其中太原组第一层灰岩直接顶板海相 泥岩 平均厚度为9~11 m，电性特征横向上较均一。如底板发生破裂，其导电性发生 异常，尤其当破碎带含水时，其导电性增强，相当于地下存在局部低电阻率地质体。

2方法原理[JP1]矿井音频电透视法是利用穿过采煤工作面的许多电力线(由供电点到测量点)的电位降 数据来重建采煤工作面电性变化图像，以岩石的导电性差异为基础，人工向地下供入音频电 流，观察大地电场的分布规律，从而确定岩体物性分布规律及地质构造特征。其特点是音频 信号穿透能力强，测量精度高，可以抵抗轨道及矿车运行引起的强直流电干扰。[JP]2.1全空间电场模型及点源场的分布

与地面电法不同的是：矿井音频电透视法以全空间电场分布理论为基础。

对于均匀全空间，点电源产生的电场分布特征，可用如下关系式表达

点M到点电 源A的距离, m。

10煤层与其顶、底板（一般为砂岩、粉砂岩、泥岩互层）具有明显的电性差异(见表1) 。而煤层相对其顶、底板为高阻层，可用图1所示的三层地电模型来模拟上述电性组合特征 。

表1煤系地层常见岩石电阻率值

岩名煤泥岩砂岩石灰岩矿井水电阻率/(Ω•m)[]10～104[]1～50[]1～105[]60～4×2.2局部富水体对点源场的电位影响

对于井下局部富水地质体的附加场［6］(见图2c)，可用导电球来说明,即电流场中导 体的异常可以近似地看作电偶极子的异常。其表达式为

则低阻良导体产生一个负电位，如图2a所示。

对于井下近似三层地电模型来说，其点源场电位表达式为

式中:玌0为无局部地质体时的电位分布，mV；玌n为局部地质体的异常场,mV。

根据式（5）和式（10）可以看出异常曲线（玌/U0）是以点源A与地质体连线的延线 为对称轴的轴对称曲线(见图2b)。异常幅度、宽度与异常体的大小、异常体与围岩的电性 差异及距收发面的距离等有关。异常体规模越大,与围岩的 电性差异越大、距收(发)面距离越小，异常幅度就越大；反之则越小。图2a为底板下存在 含水体与不含局部水体两种条件下电位测量曲线的比较示意图。

图2电位异常反映特征示意图3施工方法及工程布置

工作方法采用单极偶极形式， 即A—MN—B (∞)，A、B为供电电极，用于向岩层供 电， M、N为测量电极，MN位于同一巷道，垂直于巷道走向布设，A极位于另一巷道中，B极处于无 穷远处(见图3)。

轴向单极—偶极法井下电透视测量方 式

图3矿井音频电透视施工布置图

物探施工前先进行标点，61005工作面运巷、风巷与北六运输下山交叉口处为起点即0#点 ，分别在运输大巷及风巷， 以10 m为点距进行编号。 点号分别为(0～15点)、(0～14点)， 共计31个坐标点。

测网密度为：供电点的间距为50 m，接收点距10 m，针对每个供电 点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收。

为了探测工作面底板下不同深度的水文地质条件，矿井音频电透视施工时采用獸=400 Hz、獸=15 Hz两个频点依次测试。矿井音频电透视实际完成总供 电点8个、接收点124个。

4探测结果及分析

4.1视电导率值分布特征

工作面底部30 m深度附近岩层的视电导率值在1～20 s间变化 。根据邻矿实测验证，异常门槛值定为6 s，其中电性异常区有4处，分别为 异常条带Ⅰ～Ⅳ(见图4)。

图430 m范围内岩层探测成果图

工作面底部45 m深度附近岩层的视电导率值在1～20 s间变化。异 常门槛值定为8 s，其中电性异常区有4处，分别为异常条带Ⅰ～Ⅳ(见图5)。

图545 m范围内岩层探测成果图

从两个不同深度界面附近的异常位置比较可得出：30 m深度中心界面比45 m深度中心界面的异常幅度值低，范围也小， 四处异常条带在两平面上都有不同程 度的反映。其中Ⅰ和Ⅲ 在两水平面上大小、 强弱相当； Ⅱ和Ⅳ在45 m深度 中心界面比30 m深度中心界面的异常范围大，但幅值相当。

从30 m和45 m两个深度的电透视探测工作比较可看出：两个深度电 透视工作探测的异常条带位置基本一致，但视电导率值有明显差异，范围差异也较大。

4.2底板富水性分析

61005工作面10煤层底板下30 m及45 m深度中心界面反映的地层情 况为：① 30 m 深度中心界面主要反映了10煤底板下的砂岩为主的地层的视电导率值横向分布特征；② 45m深度中心界面主要反映了10煤底板下的海相泥岩至太原组一灰为主的地层的视 电导率值横向分布特征。

根据异常条带Ⅰ和Ⅳ在两水平面上大小、强弱相当，分析认为该两处物性异常为底板砂岩 层裂隙相对富水所致。而异常条带Ⅱ和Ⅳ的分布与工作面断裂带发育方向基 本一致，底板海相泥岩及一灰裂隙相对富水所致。由于山西组底部海相泥岩及粉砂岩岩体强 度相对较低，受构造应力作用更易发生破裂，且该岩层与下部太原组灰岩含水层直接接触， 易得到太灰水的补给，因此富水异常区10煤层底板突水系数增加。

5结束语

探测结果反映61005工作面10煤层底板富水性具有明显的不均一性。两个水平的富水异 常条带位置基本一致，富水异常区主要为10煤层底板岩石构造破裂区。

在工作面富水异常区10煤层底板突水系数增加，应加强对富水异常区的底板注浆工作。 注浆一方面可以封堵太灰含水层与10煤层底板海相泥岩及砂岩富水异常区的连通；另一方面 可以提高底板强度，降低底板突水系数，达到安全生产的目的。

参考文献：

［1］许光泉,桂和荣,吴基文.煤矿底板突水分析及底板水防治［J］.地下水，20 01,23(3):141143.

［2］曾方禄,王永胜,张小鹤,等.矿井音频电透视及其应用［J］.煤田地质与物 探，1997,25(6): 5458.

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［4］高致宏,王彦红,陈青峰.工作面富水区探测与矿井电法——音频电透视在工 作面富水区探测中的应用效果［J］.煤田地质与勘探，2002,30(4): 5154.

［5］李文峰.矿井物探在煤矿防治水中的作用［J］.河北煤炭，1999(S):3839 . ［6］李冬林,姜振泉,杨栋条.煤层底板音频电透视探测成果反映的底板阻水条 件［J］.地球科学与环境学报，2005,27(3):6871.

(责任编辑：宋晓梅)