音频电法透视技术在界沟矿井水害防治工作中的应用

陈继福，赵庆珍

（1.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同037003;2.山西能源学院，山西太原030600）

矿井水害是影响煤矿安全的五大灾害之一，在防治矿井水害工作中，常常采用钻探结合物探的方式进行超前探放水，物探方法包括电阻率法、瞬变电磁法、音频电法透视等。界沟煤矿在多年的煤层开采过程中，形成了大量的老空区，就该矿目前正在开采的10#煤层而言，还受到顶底板含水层的影响。为了消除水害的威胁，保证煤矿正常生产，本文依据近几年的工作经验以及界沟实际地质情况，选择用音频电法透视技术探测煤层顶底板及采空区富水性。

1 界沟煤矿水文地质概况

界沟煤矿10#煤层的开采主要受顶板砂岩水及底板太原组灰岩水的影响，同时上部采空区的富水性也会构成威胁，各主要含水层（体）特征如下：

（1）顶板砂岩含水层：10#煤层顶板以中砂岩、细砂岩和粉砂岩为主，且比较致密，裂隙也不太发育，故其富水性差，地下水补给、径流、排泄条件差，处于封闭至半封闭的状态，预计正常涌水量为20 m3/h。

（2）底板太灰含水层：根据钻孔资料，井田范围内所发育的太原组地层，最大厚度达到了135.09 m，发育的石灰岩有12～15层之多。其中三灰和四灰厚度分别为11.08 m和11.68 m，其富水性与岩溶裂隙的发育程度呈正相关。从目前所查明的资料来看，在界沟井田的浅部，岩溶裂隙是比较发育的，而在深部则是逐渐减弱的。

10#煤层1021工作面长64～150 m，顺槽长980 m，位于东一采区。根据中央采区和1020 工作面底板注浆加固的资料，10#煤层底板太灰富水。1021 工作面下距太灰顶53 m 左右，太灰水静止水头高为-110 m，运输顺槽底板标高-393 m，煤层底板最大水压2.83 MPa，属带压开采，见图1。

图1 10#煤层底板至太原组一灰顶间距等值线

经过分析研究认为，在回采10#煤层过程中，底板太灰含水层为主要的矿井水源之一,预计由此含水层导致的涌水量为117 m3/h。

（3）断层水：根据邻近揭露资料，预计回风顺槽将揭露落差为3.0 m 左右断层，运输顺槽将揭露落差为4.0 m 左右的FS29断层。另据推测，切眼下部端头附近可能揭露落差为8 m 左右的延伸断层DF11。从已查明的水文地质资料来看，以上断层富水性都比较弱，预计最大涌水量137 m3/h，正常涌水量20 m3/h。

2 地球物理特征及音频电透视技术原理

2.1 地球物理特征

煤系地层是沉积作用的产物，具有明显的沉积层序，不同岩性的地层之间存在着较为明显的导电性差异。正常情况下，煤层和石灰岩表现为高阻值，砂岩次之，粘土岩类表现为低阻值，水体阻值最低。由此可见，不同岩性的岩、煤层与水体之间有明显的电性差异[1-3]，见表1。

表1 一般煤系地层常见岩石电阻率值

由于水体相对于其他固体介质，具有良好的导电性，当围岩裂隙、破碎带含水或存在采空区积水时，存在局部低电阻率异常区域，含水性越强，电阻率越低，电导率越高，异常幅度越大，如果不含水，则表现为局部高阻率异常。断层两侧靠近断层面附近的煤层常常存在变薄现象，这样的地带表现为相对低阻率，而在厚煤层发育的区域电阻率相对变高[4-5]。

实际情况表明，富水区域及煤层变薄带等与正常沉积的岩（煤）层之间存在着明显的电性差异。

2.2 音频电透视技术原理

音频电透视法属于直流电偶极接地探测技术，是以全空间电场分布理论为基础，以岩石、地质构造等电性分布规律差异为应用前提的地球物理勘探方法[6]。

煤系地层作为含煤的沉积岩系，具有较为清晰的沉积序列，其沉积特性决定了在纵向上的导电性表现为规律性的变化，在横向上则相对稳定。当煤系地层中的岩溶、裂隙充水含水时，就会打破地层导电性在纵向上所固有的变化规律和横向上的相对稳定性，正是由于煤系地层的岩性变化，为音频电透视法勘查的应用与实施提供了良好的地球物理条件[7-11]。矿井音频电透视法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的。

3 现场测点布置

本次音频电透视探测自1021 工作面的开切眼两个端头开始，发射点分别布置在回风和运输顺槽中，间距为50 m，且在相对应的巷道中以扇形扫描的方式进行接收，见图2。

图2 工作面音频电穿透施工布置图

工作面音频电穿透施工过程中，在回风和运输顺槽中分别布置了20个和21个发射点，每一个发射点对应15～21个接收点，并利用巷道里的测量点进行校对。回风顺槽中的测点编号为1#～96#，运输顺槽中的测点编号为1#～101#。采用128 Hz、64 Hz、32 Hz、16 Hz四个频点依次测试。两条顺槽巷实际完成的物理点分别为96和101，点距10 m，两巷的测线长分别是950 m和1 000 m，合计1 950 m，见图3。

图3 现场测线布置图

4 探测结果

4.1 数据处理

对于数据的处理，首先要建立一个平面直角坐标系，以1021 工作面开切眼与运输顺槽的交点为原点，工作面走向为x轴，工作面倾斜线方向为y轴，为每一组发射—接收观测电极建立坐标，然后利用所给定的数据格式文件进行CT反演[12]，获取工作面内岩（煤）层的电性参数，采用Surfer 软件绘制电阻率等值线图[13]。

4.2 底板探测结果

1021工作面岩层底板下的综合电性响应，见图4～图7。总体来看，工作面底板音频电透视的视电导率值分布在0.4～12.5 S/m范围内，根据数据体的统计分布特征，确定异常区的视电导率阈值为4.8 S/m，即大于4.4 S/m的视电阻率等值线区为异常区。依据此阈值原则，结合地质资料分析，认为1021工作面底板存在4 处低阻异常区，分别为FYC1、FYC2、FYC3和FYC4，为相对含水区，见图8。

图4 1021底板0～20 m音频电透探测成果图

图5 1021底板20～40 m音频电透探测成果图

图6 1021底板40～60 m音频电透探测成果图

图7 1021底板60～80 m音频电透探测成果图

图8 1021底板音频电透探测异常平面图

4.3 顶板探测结果

1021 工作面顶板上岩层的综合电性响应，见图9～图12。总体来看，工作面顶板音频电透视的视电导率值分布在0.4～7.5 S/m范围内，根据数据体的统计分布特征，确定异常区的视电导率阈值为3.6 S/m，即大于3.6 S/m的视电阻率等值线区为异常区。依据此阈值原则，结合地质资料分析，认为1021 工作面顶板存在5 处低阻异常区，分别为FYC5、FYC6、FYC7 和FYC8，为相对含水区，见图13。

图9 1021顶板0～20 m音频电透探测成果图

图10 1021顶板20～40 m音频电透探测成果图

图11 1021顶板40～60 m音频电透探测成果图

图12 1021顶板60～80 m音频电透探测成果图

图13 1021顶板音频电透探测异常平面图

5 结语

（1）音频电透视法为煤矿井下防治矿井水害提供了一种便捷、有效的技术手段。但是，音频电透视法和其他物探技术一样，有其适应性，在实际探测应用中，要善于探索总结。

（2）由于受井下电法探测深度（或高度）的限制，实际上成果资料反映的水文地质信息仅局限于一定深度（或高度）范围内的水文地质条件，而矿井涌水还与补给条件、相关的含水构造发育连通情况、水头压力及煤层厚度、采煤方法、回采速度等诸多因素有关，随着上述因素的不断变化，矿井涌水量、涌水位置和时间也会在一定程度上发生变化。因此，在回采过程中要加强水文观测及资料收集，发现异常要及时反馈，并采取相应的防治水措施进行治理。