直流电法在煤层底板注浆改造中的应用效果

刘宝宝++温亨聪

摘 要：介绍了矿井直流电法的技术原理与井下现场施工方法，重点阐述了直流电法探测在底板注浆改造中起到的指导作用，以实例说明，矿井直流电法探测技术效果良好、重复性高、结论可靠。

关键词：直流电法 底板改造 探测 赋水性

中图分类号：TD74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0083-02

1 直流电法探测技术原理与工作方法

直流电法探测是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地层供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性及其赋水性的分布规律或地质构造特征。它具有理论成熟、方法灵活、仪器简便、抗干扰能力强的优点，可用于煤矿水害防治的多个领域，如划分采掘工作面顶底板岩层贫富水区域、论证工作面回采时的水患危险性并圈定易突水地段、预报掘进工作面前方地质异常构造带、确定疏水降压孔位置等[1，2]。

根据探测目的不同，直流电法工作装置形式有多种。煤矿采煤工作面顶、底板探测通常应用对称四极测深装置和三极测深装置。对称四极测深装置工作布置方式为A----M-O-N----B；三极测深装置工作布置方式为A----M-O-N---- B（∞）。此两种装置中A、B均为供电电极，用于以一定电流向岩矿层供电；M、N均为测量电极，用于探测地电场电压，根据探测点测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出岩矿层的视电阻率值[3，4]。通过对不同地点、不同深度岩矿层的视电阻率值进行全方位探测，并对初始采集的数据进行巷道影响和全半空间效应校正、视电阻率反演等处理，可以绘制出探测区域视电阻率断面图、平面等值线图等图件[5]，结合水文地质资料综合分析电法图件、数据等，达到探测岩性、构造和赋水性等目的。

2 直流电法在底板注浆改造中的作用

直流电法探测可以有效的探测出底板岩层相对赋水情况，对工作面底板注浆改造的作用主要体现在以下两个方面。

2.1 直流电法探测对底板注浆改造具有指导作用

直流电法探测结果中，低阻异常区域主要为岩层破碎、裂隙发育或赋水性相对越强的区域（浅层的低阻异常区域可能为巷道积水、泥泞等因素影响），在工作面底板注浆改造中，可以根据工作面直流电法探测结果，对低阻异常区域进行重点加固，可以极大的提高底板注浆改造的效率。

根据焦煤集团对各个矿区在实施直流电法探测以来，对发生工突水的工作面和该工作面直流电法探测结果进行对比和统计情况看，发生底板突水的区域90%以上为直流电法探测的低阻异常区域。

2.2 直流电法探测对底板注浆改造效果具有验证作用

一般在工作面注浆改造前后都要进行直流电法探测，通过工作面注浆改造前后物探成果对比，可以根据注浆前后物探成果低阻区域的变化来判定注浆改造效果的好坏。如果注浆改造后原有的低阻区域明显减少或消失，说明在该处的注浆改造效果良好，反之，则需要进行进一步的验证。

3 探测实例及效果研究

我们在焦煤集团下属矿井多个工作面进行了底板岩层赋水性探测，经工作面回采和钻探验证，总体准确率达80%以上。下面以冯营公司24121工作面顶板直流电法勘探为例加以说明。

3.1 冯营公司24121工作面水文地质概况及物探前提

（1）水文地质概况：冯营公司24121工作面设计回采长度340 m、宽度85 m。开采二1煤层，煤层埋深370～410 m，平均厚度6.0 m，平均倾角13°。煤层主要受L8灰岩含水层威胁。底板距L8灰岩含水层厚度约为21 m，水压为MPa，L8灰岩含水层厚度约为8 m，煤层底板隔水层由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩组成，中间有一层约0.5 m厚的L9灰岩；由于底板隔水层厚度较小，工作面生产安全主要受底板水害威胁，底板防治水工作重点是防止在采掘过程中底板L8灰岩、含水层发生突水。

②物探前提：24121工作面底部L8灰岩含水层位于巷道底板约23 m处，不含水时视电阻率值较高、含水时视电阻率值明显降低，具备利用直流电法技术区分该岩层贫、富水的物性前提；同时，该层位置适合直流电法探测控制。

3.2 冯营公司24121工作面直流电法顶板探测成果

图1为24121工作面下顺槽底板注浆加固后直流电法勘探视电阻率断面图。依据图件、数据并结合水文地质资料进行综合分析，划分24121工作面巷道附近L8灰岩含水层可能发生突水的区域。由图中看出以下几点。

（1）探测范围内，24121工作面下顺槽附近存在多个相对低阻异常区，见图中蓝色阴影区域（红色阴影区为视电阻率值相对较高区域）。部分低阻区往深部延伸（见图中红线所圈区域）。

（2）24121工作面回采时，图中红线所圈区域附近不排除发生底板突水的可能性，应提前采取防治水应对措施。其它区段发生底板突水的可能性较小。

（3）建议矿方对直流电法勘探圈定的低阻异常区进行打钻验证，探验岩层赋水性。

4 冯营公司24121工作面直流电法底板板探测成果验证情况

5 结论

实践证明，直流电法探测可以有效的探测出底板岩层相对赋水情况，准确预报底板突水危险区域，为底板注浆改造起到指导作用，并对注浆改造效果具有验证作用，提醒矿方及早采取相应防治水措施，防止发生水害伤人事故，确保安全生产。

直流电法探测技术也有自身的缺点，如全空间场体积效应问题造成方向性较差，影响资料解释中对异常体具体方位的准确判断；探测距离相对较近，只能探测巷道附近而无法探测工作面内部岩层赋水性等。这就需要与瞬变电磁等方向性较强的物探技术相配合，并紧密结合水文地质、钻探等资料，多种手段并用、相互取长补短，综合分析解释，提高探测成果可靠性，为煤矿防治水工作保驾护航。

参考文献

[1] 郭纯.强干扰环境下矿井直流电法探测顶板岩层赋水性关键技术研究[J].煤矿安全，2013.

[2] 郭纯.直流电法探测技术在煤矿防治水方面应用的研究[J].河南理工大学学报，2005（6）：439-442.

[3] 李文军，郭纯.井下直流电法技术应用中的问题[M].中州煤炭，2006（3）：63-65.

[4] 岳建华，刘树才.矿井直流电法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[5] 邱法林，姜华.直流电法技术在受底板承压水威胁煤层安全开采中的应用[J].煤炭开采新理论和新技术.endprint

摘 要：介绍了矿井直流电法的技术原理与井下现场施工方法，重点阐述了直流电法探测在底板注浆改造中起到的指导作用，以实例说明，矿井直流电法探测技术效果良好、重复性高、结论可靠。

关键词：直流电法 底板改造 探测 赋水性

中图分类号：TD74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0083-02

1 直流电法探测技术原理与工作方法

直流电法探测是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地层供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性及其赋水性的分布规律或地质构造特征。它具有理论成熟、方法灵活、仪器简便、抗干扰能力强的优点，可用于煤矿水害防治的多个领域，如划分采掘工作面顶底板岩层贫富水区域、论证工作面回采时的水患危险性并圈定易突水地段、预报掘进工作面前方地质异常构造带、确定疏水降压孔位置等[1，2]。

根据探测目的不同，直流电法工作装置形式有多种。煤矿采煤工作面顶、底板探测通常应用对称四极测深装置和三极测深装置。对称四极测深装置工作布置方式为A----M-O-N----B；三极测深装置工作布置方式为A----M-O-N---- B（∞）。此两种装置中A、B均为供电电极，用于以一定电流向岩矿层供电；M、N均为测量电极，用于探测地电场电压，根据探测点测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出岩矿层的视电阻率值[3，4]。通过对不同地点、不同深度岩矿层的视电阻率值进行全方位探测，并对初始采集的数据进行巷道影响和全半空间效应校正、视电阻率反演等处理，可以绘制出探测区域视电阻率断面图、平面等值线图等图件[5]，结合水文地质资料综合分析电法图件、数据等，达到探测岩性、构造和赋水性等目的。

2 直流电法在底板注浆改造中的作用

直流电法探测可以有效的探测出底板岩层相对赋水情况，对工作面底板注浆改造的作用主要体现在以下两个方面。

2.1 直流电法探测对底板注浆改造具有指导作用

直流电法探测结果中，低阻异常区域主要为岩层破碎、裂隙发育或赋水性相对越强的区域（浅层的低阻异常区域可能为巷道积水、泥泞等因素影响），在工作面底板注浆改造中，可以根据工作面直流电法探测结果，对低阻异常区域进行重点加固，可以极大的提高底板注浆改造的效率。

根据焦煤集团对各个矿区在实施直流电法探测以来，对发生工突水的工作面和该工作面直流电法探测结果进行对比和统计情况看，发生底板突水的区域90%以上为直流电法探测的低阻异常区域。

2.2 直流电法探测对底板注浆改造效果具有验证作用

一般在工作面注浆改造前后都要进行直流电法探测，通过工作面注浆改造前后物探成果对比，可以根据注浆前后物探成果低阻区域的变化来判定注浆改造效果的好坏。如果注浆改造后原有的低阻区域明显减少或消失，说明在该处的注浆改造效果良好，反之，则需要进行进一步的验证。

3 探测实例及效果研究

我们在焦煤集团下属矿井多个工作面进行了底板岩层赋水性探测，经工作面回采和钻探验证，总体准确率达80%以上。下面以冯营公司24121工作面顶板直流电法勘探为例加以说明。

3.1 冯营公司24121工作面水文地质概况及物探前提

（1）水文地质概况：冯营公司24121工作面设计回采长度340 m、宽度85 m。开采二1煤层，煤层埋深370～410 m，平均厚度6.0 m，平均倾角13°。煤层主要受L8灰岩含水层威胁。底板距L8灰岩含水层厚度约为21 m，水压为MPa，L8灰岩含水层厚度约为8 m，煤层底板隔水层由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩组成，中间有一层约0.5 m厚的L9灰岩；由于底板隔水层厚度较小，工作面生产安全主要受底板水害威胁，底板防治水工作重点是防止在采掘过程中底板L8灰岩、含水层发生突水。

②物探前提：24121工作面底部L8灰岩含水层位于巷道底板约23 m处，不含水时视电阻率值较高、含水时视电阻率值明显降低，具备利用直流电法技术区分该岩层贫、富水的物性前提；同时，该层位置适合直流电法探测控制。

3.2 冯营公司24121工作面直流电法顶板探测成果

图1为24121工作面下顺槽底板注浆加固后直流电法勘探视电阻率断面图。依据图件、数据并结合水文地质资料进行综合分析，划分24121工作面巷道附近L8灰岩含水层可能发生突水的区域。由图中看出以下几点。

（1）探测范围内，24121工作面下顺槽附近存在多个相对低阻异常区，见图中蓝色阴影区域（红色阴影区为视电阻率值相对较高区域）。部分低阻区往深部延伸（见图中红线所圈区域）。

（2）24121工作面回采时，图中红线所圈区域附近不排除发生底板突水的可能性，应提前采取防治水应对措施。其它区段发生底板突水的可能性较小。

（3）建议矿方对直流电法勘探圈定的低阻异常区进行打钻验证，探验岩层赋水性。

4 冯营公司24121工作面直流电法底板板探测成果验证情况

5 结论

实践证明，直流电法探测可以有效的探测出底板岩层相对赋水情况，准确预报底板突水危险区域，为底板注浆改造起到指导作用，并对注浆改造效果具有验证作用，提醒矿方及早采取相应防治水措施，防止发生水害伤人事故，确保安全生产。

直流电法探测技术也有自身的缺点，如全空间场体积效应问题造成方向性较差，影响资料解释中对异常体具体方位的准确判断；探测距离相对较近，只能探测巷道附近而无法探测工作面内部岩层赋水性等。这就需要与瞬变电磁等方向性较强的物探技术相配合，并紧密结合水文地质、钻探等资料，多种手段并用、相互取长补短，综合分析解释，提高探测成果可靠性，为煤矿防治水工作保驾护航。

参考文献

[1] 郭纯.强干扰环境下矿井直流电法探测顶板岩层赋水性关键技术研究[J].煤矿安全，2013.

[2] 郭纯.直流电法探测技术在煤矿防治水方面应用的研究[J].河南理工大学学报，2005（6）：439-442.

[3] 李文军，郭纯.井下直流电法技术应用中的问题[M].中州煤炭，2006（3）：63-65.

[4] 岳建华，刘树才.矿井直流电法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[5] 邱法林，姜华.直流电法技术在受底板承压水威胁煤层安全开采中的应用[J].煤炭开采新理论和新技术.endprint

摘 要：介绍了矿井直流电法的技术原理与井下现场施工方法，重点阐述了直流电法探测在底板注浆改造中起到的指导作用，以实例说明，矿井直流电法探测技术效果良好、重复性高、结论可靠。

关键词：直流电法 底板改造 探测 赋水性

中图分类号：TD74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0083-02

1 直流电法探测技术原理与工作方法

直流电法探测是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地层供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性及其赋水性的分布规律或地质构造特征。它具有理论成熟、方法灵活、仪器简便、抗干扰能力强的优点，可用于煤矿水害防治的多个领域，如划分采掘工作面顶底板岩层贫富水区域、论证工作面回采时的水患危险性并圈定易突水地段、预报掘进工作面前方地质异常构造带、确定疏水降压孔位置等[1，2]。

根据探测目的不同，直流电法工作装置形式有多种。煤矿采煤工作面顶、底板探测通常应用对称四极测深装置和三极测深装置。对称四极测深装置工作布置方式为A----M-O-N----B；三极测深装置工作布置方式为A----M-O-N---- B（∞）。此两种装置中A、B均为供电电极，用于以一定电流向岩矿层供电；M、N均为测量电极，用于探测地电场电压，根据探测点测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出岩矿层的视电阻率值[3，4]。通过对不同地点、不同深度岩矿层的视电阻率值进行全方位探测，并对初始采集的数据进行巷道影响和全半空间效应校正、视电阻率反演等处理，可以绘制出探测区域视电阻率断面图、平面等值线图等图件[5]，结合水文地质资料综合分析电法图件、数据等，达到探测岩性、构造和赋水性等目的。

2 直流电法在底板注浆改造中的作用

直流电法探测可以有效的探测出底板岩层相对赋水情况，对工作面底板注浆改造的作用主要体现在以下两个方面。

2.1 直流电法探测对底板注浆改造具有指导作用

直流电法探测结果中，低阻异常区域主要为岩层破碎、裂隙发育或赋水性相对越强的区域（浅层的低阻异常区域可能为巷道积水、泥泞等因素影响），在工作面底板注浆改造中，可以根据工作面直流电法探测结果，对低阻异常区域进行重点加固，可以极大的提高底板注浆改造的效率。

根据焦煤集团对各个矿区在实施直流电法探测以来，对发生工突水的工作面和该工作面直流电法探测结果进行对比和统计情况看，发生底板突水的区域90%以上为直流电法探测的低阻异常区域。

2.2 直流电法探测对底板注浆改造效果具有验证作用

一般在工作面注浆改造前后都要进行直流电法探测，通过工作面注浆改造前后物探成果对比，可以根据注浆前后物探成果低阻区域的变化来判定注浆改造效果的好坏。如果注浆改造后原有的低阻区域明显减少或消失，说明在该处的注浆改造效果良好，反之，则需要进行进一步的验证。

3 探测实例及效果研究

我们在焦煤集团下属矿井多个工作面进行了底板岩层赋水性探测，经工作面回采和钻探验证，总体准确率达80%以上。下面以冯营公司24121工作面顶板直流电法勘探为例加以说明。

3.1 冯营公司24121工作面水文地质概况及物探前提

（1）水文地质概况：冯营公司24121工作面设计回采长度340 m、宽度85 m。开采二1煤层，煤层埋深370～410 m，平均厚度6.0 m，平均倾角13°。煤层主要受L8灰岩含水层威胁。底板距L8灰岩含水层厚度约为21 m，水压为MPa，L8灰岩含水层厚度约为8 m，煤层底板隔水层由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩组成，中间有一层约0.5 m厚的L9灰岩；由于底板隔水层厚度较小，工作面生产安全主要受底板水害威胁，底板防治水工作重点是防止在采掘过程中底板L8灰岩、含水层发生突水。

②物探前提：24121工作面底部L8灰岩含水层位于巷道底板约23 m处，不含水时视电阻率值较高、含水时视电阻率值明显降低，具备利用直流电法技术区分该岩层贫、富水的物性前提；同时，该层位置适合直流电法探测控制。

3.2 冯营公司24121工作面直流电法顶板探测成果

图1为24121工作面下顺槽底板注浆加固后直流电法勘探视电阻率断面图。依据图件、数据并结合水文地质资料进行综合分析，划分24121工作面巷道附近L8灰岩含水层可能发生突水的区域。由图中看出以下几点。

（1）探测范围内，24121工作面下顺槽附近存在多个相对低阻异常区，见图中蓝色阴影区域（红色阴影区为视电阻率值相对较高区域）。部分低阻区往深部延伸（见图中红线所圈区域）。

（2）24121工作面回采时，图中红线所圈区域附近不排除发生底板突水的可能性，应提前采取防治水应对措施。其它区段发生底板突水的可能性较小。

（3）建议矿方对直流电法勘探圈定的低阻异常区进行打钻验证，探验岩层赋水性。

4 冯营公司24121工作面直流电法底板板探测成果验证情况

5 结论

实践证明，直流电法探测可以有效的探测出底板岩层相对赋水情况，准确预报底板突水危险区域，为底板注浆改造起到指导作用，并对注浆改造效果具有验证作用，提醒矿方及早采取相应防治水措施，防止发生水害伤人事故，确保安全生产。

直流电法探测技术也有自身的缺点，如全空间场体积效应问题造成方向性较差，影响资料解释中对异常体具体方位的准确判断；探测距离相对较近，只能探测巷道附近而无法探测工作面内部岩层赋水性等。这就需要与瞬变电磁等方向性较强的物探技术相配合，并紧密结合水文地质、钻探等资料，多种手段并用、相互取长补短，综合分析解释，提高探测成果可靠性，为煤矿防治水工作保驾护航。

参考文献

[1] 郭纯.强干扰环境下矿井直流电法探测顶板岩层赋水性关键技术研究[J].煤矿安全，2013.

[2] 郭纯.直流电法探测技术在煤矿防治水方面应用的研究[J].河南理工大学学报，2005（6）：439-442.

[3] 李文军，郭纯.井下直流电法技术应用中的问题[M].中州煤炭，2006（3）：63-65.

[4] 岳建华，刘树才.矿井直流电法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[5] 邱法林，姜华.直流电法技术在受底板承压水威胁煤层安全开采中的应用[J].煤炭开采新理论和新技术.endprint