煤矿防治水中直流电测深法的应用

郭晓明

(山西煤炭运销集团四通煤业有限公司，山西 临汾 041000)

随着煤炭资源开采力度的持续增加，开采效率也在持续提高，矿井水害事故的发生几率不断提高，逐渐成为煤矿主要的开采事故。由于水害事故，导致国家每年都会有大量的财产损失。矿井防治水作为煤矿生产和科研技术难点，备受大量学者、研究人员与矿井工作施工人员的重视，而逐渐成为矿井灾害治理的重点内容[1]。本文将直流电测深法应用到煤矿防治水中，具有较高的稳定性和较强的可靠性。

1 直流电测深法的原理

直流电法为电法勘探的电阻率法，其是基于岩石电性差异，因不同岩性物质具有不同的电阻率，以此有效推断测线断面岩层富水性。直流电法能够利用程控式多路电极转换器，对不同电极组合方式与极距间隔进行选择，利用供电电极对地下供直流电流，并且在对电极间观测电势差进行计算时，计算视电阻率，各个电极不同时或者同时根据选定的测线，根据规定电距间隔移动，预先设置电极，自动切换仪器，快速收集野外数据，图1为微机控制多电极采集数据。

地面直流电法主要是利用数据收集与处理实现，数据采集部分都是在野外完成，地面直流电法的工作就是数据处理，此部分工作较为复杂，在视电阻率图分析过程中要根据地质工作和对于矿山水文地质情况全面的掌握而进行[2]。

2 工程实例

2.1 工程背景

某煤矿31254工作面采煤层为13号煤层，设置奥灰含水层的间距为78 m，设置下距离徐灰含水层的间距为35 m，徐灰水、奥灰水对采煤工作造成了威胁，为了有效保证工作面的安全性，实现煤层的顺利开采，对工作面底板地层富水性进行采前探测。最大的探测深度为底板下200 m，创建底板地层电阻率三维数据体，利用切片技术对奥灰地层与徐灰底层的富水区域进行圈定，便于钻探施工，对开采方向精准性确定[3]。

图1 微机控制多电极采集数据

此采面煤层为3.66 m，煤层倾角为24°～28°。工作面顶煤5-煤8为弱含水层，不会影响到采面，但是上方煤5顶板为强含水层，假如根据采面在老冲积层煤柱线下部分采全面高进行计算，裂隙带高度会比煤5-煤8层间距要大，和下采面突水情况结合进行分析，虽然此区域煤5顶强含水层有效的疏降，但是因为此区域含水层含水和流动并不一致，对含水层水顺层下泄造成了影响，导致煤5含水层具备局部富含水层。此面和冲积层的距离比较近，冲积层的水会渗透补给到煤5顶强含水层中，并且速度比较快且充足。以风道、运道的实测资料，风、运道一共揭露了7条正断层，以f138断层在风、运道掘进过程中都揭露。除了断层导致断层带附近巷道煤层松软，围岩破碎之外，风道在往北360 m～380 m范围连续揭露4条落差为0.2 m～0.65 m的断层会影响到巷道施工。所以，此采面回采过程中，受到以上水文地质条件影响，会导致采面涌水的情况出现。

2.2 数据收集

由于企业地测科要求具有较大的探测深度，而且每个深度都能够构成细致、宽广的剖面，充分考虑矿区工作面地质岩石层状的稳定性，要求具有适当的温度，利用二级装置。其探测幅度和三级装置对比更深更广，并且在分析空间异常体方面更加精准。此实验矿井利用AM点阵进行排列，以平面实现A与M两个基准点电缆移动的设置，包括供电、测量的电极。另外，其中还具有A与M的跑动测量点，N与B电极设置在无穷远处，无穷远N电极在探测装置31～60电机一侧中放置，无穷远B电极在探测装置1～30电机中设置。

起始点为多功能数字直流激电仪与多路电极转换器，通过电源能够在地下实现电流的输入，10 m间隔电极贴近于测量面墙壁，能够切换位置，从而切换地底的反馈信息，对数据点正常进行保证，人为地错开通电区和积水区，在1∶100 0比例尺地质图中实现切眼顺槽的标记，方便在处理后期数据中的方向转移，转接首位，实现立体三维直观模型的创建[4]。

2.3 确定突水系数

根据精查地质报告与实际揭露的资料，唐口井田3煤层顶板以上具备多层黏土隔水层，能够阻隔上覆含水层对于3煤层顶板砂岩的含水层补给，砂岩水的补给条件不良。在巷道掘进过程中，揭露顶板含水层初始水量在每小时5 m3以下，并且在生产各出水点水量不断降低。目前已经施工31个探顶板砂岩水钻孔，充分疏放顶板砂岩水，严重影响了矿井生产。井田在精查勘探过程中的三灰含水层水位在+28 m左右，并且一共有62个施工底板三灰孔，各个生产采区三灰的最大压力为9.5 MPa。以《煤矿防治水的规定》，突水系数T设置为0.133 MPa/m。以当地煤田周边矿区的实际资料和《煤矿防治水规定》需求，底板受到构造破坏块段突水系数在0.06 MPa/m，正常块段在0.1 MPa/m以下，也就是T<0.06 MPa/m是安全的。0.06 MPa/m～0.1 MPa/m就要使用探放水措施；T>0.1 MPa/m时要根据专门防治水工程设计的方式，并且上报给主管部门进行审批。在工作面回采之前要使用电法探测，并且实现探放水，评价工作面水害的安全性，采区要构成防水、排水系统，要不然不能生产[5]。

2.4 工作面导水断层含水性

针对矿井东部边界和其他工作面发育导水断层，通过三维地震勘探资料分析对导水断层发育范围预计，和直流电法三级超前探测技术结合，对含水性与含水层富水性进行探测，提前使用防治措施，并且以导水断层含水与导水的情况，使用相应的措施实现综合治理，避免含水层中的水利用断层在工作面中导入，导致出现水害。图2为工作面三级超前探测视电阻率的剖面图。

图2 三级超前探测视电阻率的剖面图

2.5 数据处理

在井下测量过程中，矿井工作人员施工过程中会受到通电设备的干扰，如钻探机、传送带启动等，对地下提供电源，电极在对反馈信号接收之后会改变某个数据点，电压电流值转变成为负数，在对数据导出与处理时，要剔除异常点，对结果精准合理性进行保证。

在完成矿井探测工作后，导出测得的数据，在实现数据反演前创建立体空间模型，便于将变异点剔除，使反演精准度得到提高。通过实测方向有效确定X、Y延展方向，利用实测距离确定立体模型的长宽，以此推测地下深度，实现整体三维模型的创建。基准点为四方电极能够接受的反馈信息，竖直往下，平行的排列，理论推测平行四边形，但是在建模过程中人为改变成为矩形柱体，实现纵横分层，以实际测量长度实现每层的增加，在向下延伸时实现8个相同规格棱柱体模型的细分[6]。图3为浅层细分三维模型。

图3 浅层细分三维模型

直流电测深法利用圆滑约束最小二乘法实现数据反演，参数为圆滑滤波系数f，将高斯-牛顿法反演程序作为基础，将创建矿井划分成为三维模型，调节模型柱状体的电阻率，循环迭代中的数据，每次迭代后对偏导数雅可比矩阵进行重新的计算，虽然时间比较长，但是测量精准。本文创建560 m×150 m×200 m(长×宽×高)的立体三维网格体，方便实现分布可视化的矿井工作面底板地层电阻率[7]。

2.6 数据的分析

在Slicer Dicer三维可视化系统软件中导入本文的反演数据资料，以此得出空间数据体，利用切片技术处理图(见图4)，标记低阻异常的区域，结合地质资料预测工作面的底板岩层富水位置，方便观察，利用电阻率分析lgρ。将切眼和上顺槽交汇处作为原点，根据上顺槽对外作为Y、根据切眼向下作为正方向X，高度垂直于底层，实现底层数据体模型的创建。基于数据体水平切片，底层下40 m徐灰层在低阻区域比较明显。通过数据体进行切片，底板下108 m，奥灰顶界面下30 m深度低阻区域在不断缩小，对立体数据体结合，能够划分成为两个区域：

第1区域：横向起始测点在220 m处，底板向下深度113 m处，增加电阻，说明此为含水区域；

第2区域：横向221处到切眼距离，地板面到地下深度118 m处，电阻率从低到高，表示为含水区域[8]。

图4 煤矿工作面底板地层电阻率三维数据体

3 结语

通过本文研究得到以下结论：

1) 直流电法具有较高的超前探测可靠性，针对隐伏导水构造与富水带位置、地下水具有较高的预测精准度；

2) 直流电法能够将节理、岩溶的裂隙发育矿井直观地展现出来，使用注浆堵水或者疏干排水后检验效果；

3) 针对开采年代比较久的矿井，利用直流电法能够对老硐位置进行圈定；

4) 地面直流电法对于煤矿防治水具有主要的指导意义，针对缺水地区也能够帮助找水；

5) 地层个别地段具有塌陷与裂缝地方，会干扰到地面直流电法，此方面需要进一步的改进。