综合物探与钻探方法在煤矿顶板水害防治中的应用

杨磊

摘 要：为了提高工作面回采时的安全性与效率，必须对顶板水害加以防治处理。现有的物探手段受方法条件限制，单一物探手段对于低阻充水区域的定位并不完全准确，存在伪异常现象。采取综合物探的方法，使用多种物探手段对同一工作面进行探测，能够有效地提升探测的准确性。以陕煤集团神木红柳林矿业有限公司的44205工作面顶板水探测为例，验证了综合物探方法的有效性，并使用钻探结果对物探资料解释加以验证，结果表明，综合物探方法比单一物探手段有更高的准确性。

关键词：煤矿顶板水害防治;矿井瞬变电磁;音频电透视;综合物探

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）25-0066-05

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting and Drilling Methods in Hongliulin Coal Mine

YANG Lei

（Shaanxi Coal Group Shenmu Hongliulin Mining Co.， Ltd.， Shenmu Shaanxi 719300）

Abstract： In order to improve the safety and efficiency of the working face， it is necessary to prevent and treat the roof water damage. The existing geophysical prospecting methods are limited by the method conditions， and the single geophysical prospecting method is not completely accurate in positioning the low-resistance water-filled area， and there is a false abnormal phenomenon. This article adopts a comprehensive geophysical approach， using multiple geophysical methods to detect the same working face， which can effectively improve the accuracy of detection. This article uses the 44205 working face roof water detection as an example to verify the effectiveness of the integrated geophysical method， and uses the drilling results to verify the interpretation of the geophysical data. It turns out that the surface integrated geophysical method is more accurate than a single geophysical method.

Keywords： coal mine roof water hazard prevention;mine transient electromagnetic;audio electric perspective;comprehensive geophysical prospecting

頂板水害一直是制约煤矿安全生产的重大灾害之一，而顶板富水区域是导致顶板突水的重要因素。因此，顶板富水区域的探测能够有效预防矿井水害的发生，为水害防治工作提供依据。目前国内对顶板水害通常采用综合防治方法，其中顶板富水区域的探测主要采用钻探和物探的方法。钻探是最准确最直接有效的顶板水探测方法，但钻探工程存在用时长、效率低、探测范围有限的缺点，很难全面反映工作面整体的顶板富水情况。而矿井物探方法作为一种成本低、覆盖范围广的非接触式探测方法，在顶板富水区探测中得到越来越广泛的应用。其中，瞬变电磁法因具有对低阻体灵敏度高的特点，已被广泛应用于顶板富水区域的探测，并取得了较为准确的结果[1-3]。此外还有地面大回线瞬变电磁法[4]以及音频电透视法[5]等物探方法。

但有些煤矿探测目标周围的地质构造条件复杂，围岩分布极不均匀，由此带来的物探多解性问题、误差干扰严重问题，使得单一物探方法的处理和解释更加困难[6-7]。因此，本文提出采用两种或两种以上的物探手段对同一目标体进行探测，两种物探手段相互验证，综合解释，进一步提高了探测结果的准确性。

以陕煤集团神木红柳林矿业有限公司的44205工作面综合物探为例，加以钻探结果验证，证明对于顶板水低阻异常区勘探，综合物探比单一物探方法更具优势，更适用于复杂地质条件下的勘探。

1 水患分析及地质任务概况

该工作面上覆无采空区，无断层，无河流池塘等水系。工作面顶板受风化剥蚀影响，裂隙发育，有较好的充水条件，主要接受区域侧向补给和上部地下水的渗透补给。该含水层是本区的主要含水层，厚度在5～30 m。工作面顶板含隔水层位置如图1所示。

工作面煤层厚度为3.6 m，根据《煤矿防治水手册》，顶板导裂带高度范围通常为煤厚的17倍。在此范围内，回采时的垮落可能导致裂隙导通含水层发生突水事故，因此本次探测范围必须设定在61.2 m以上[8]。同时，从图1中可以看出，顶板上方约5 m处的细砂岩风化裂隙层为本区域内的主要含水层，为工作面顶板水害的主要威胁区域，在回采过程中极易接收区域侧向补水成为主要突水水源。因此，该含水层为本次勘探任务的主要目的层。

本次勘探任务定为探查44205工作面顶板上80 m高度范围内岩层富水性异常区垂向分布范围、相对强弱等特征，以期为44205工作面防治水害工程的设计、实施提供参考资料。

2 物探方法选择与施工方案

2.1 物探方法选择

本次探测的工作面宽度达到了330 m，工作面顶板岩性以砂岩为主，为高阻电性层，而矿井裂隙水导电性良好，使含水构造在电性上与围岩有较大差异，从而在纵向与横向上都打破了原有地层电性的固有变化规律。这些变化特征为以导电性差异为应用基础的电法勘探提供了良好的物性前提。

音频电透视方法能够横跨工作面达到探测效果，又具备无盲区的优势;瞬变电磁方法施工便捷，对低阻异常体灵敏。因此，选用矿井瞬变电磁法与音频电透视法两种物探手段对工作面顶板展开探查。

2.2 井下施工布置方案

2.2.1 矿井瞬变电磁探测。本次勘探使用中煤科工集团西安研究院生产的YCS2000矿用瞬变电磁仪。设计沿工作面两侧巷道进行探测。

由于工作面的宽度达330 m，为了详细查明工作面顶板的含富水情况，同时考虑到工作面顶板主要富水区域在顶板上方5～30 m的情况，瞬变电磁测深在每个测点以与工作面呈30°、60°、90°的方向进行探测，即每个测点采集3个方向的数据，以尽可能地覆盖到工作面顶板5～30 m的大部分区域。

本次井下瞬变电磁探测方向示意图如图2所示。测点范围覆盖两条巷道里程0～1 920 m，点距10 m，共计测点386个，瞬变电磁数据1 158组。为保证探测数据质量，探测期间工作面全程断电。

2.2.2 音频电透视探测。本次勘探使用的仪器为中煤科工集团西安研究院有限公司自行研制并生产的YT120（A）（原DTS-IA）型防爆音频电透视仪。测点范围覆盖里程0～1 920 m，设计供电点点距为50 m，测量记录点点距为10 m，单一供电点设置18～35个测量记录点，施工布置如图3所示，采用平行单极-偶极法施工方法，如图4所示。

3 资料处理与解释

3.1 矿井瞬变电磁资料解释

对采集到的瞬变电磁数据进行小波變换滤波降噪、视电阻率计算、时深转换以及矿井多匝小线圈矫正等处理后，根据地层的电性特征绘制视电阻率色谱图件。

本次探测所获得的工作面顶板瞬变电磁探测范围20 m、40 m、60 m的探测结果如图5所示。分析工作面顶板上20 m、40 m、60 m范围内瞬变电磁视电阻率低阻异常的平面分布特征，可以发现工作面主要存在3处视电阻率异常区。

S1异常区：在20 m层段分布范围较大，条带性较强，异常幅值相对较强;在40 m层段分布范围相对中等，条带性较强，异常幅值相对中等;在60 m层段分布范围相对中等，条带性较强，异常幅值相对中等。

S2异常区：在20 m层段分布范围较大，条带性较强，异常幅值相对较强;在40 m层段分布范围较大，条带性较强，异常幅值相对中等;在60 m层段分布范围较小，条带性较强，异常幅值相对较弱。

S3异常区：在20 m层段分布范围相对中等，条带性较强，异常幅值相对较强;在40 m层段分布范围较小，条带性较弱，异常幅值较弱;在60 m层段无分布。

3.2 音频电透视资料解释

对采集的音频电透视数据进行三维反演处理，并绘制相对低阻异常区域解释图。

本次探测所获得的工作面顶板音频电透视探测范围20 m、40 m、60 m的探测结果如图6所示。本次音频电透视法在工作面顶板上方共发现3处异常区，从回撤通道向切眼方向依次标为Y1号、Y2号和Y3号异常区。

Y1异常区：在20 m层段分布范围小，呈长条块状，随着深度的加深，异常区域范围变大，异常幅值强。

Y2异常区：分布不集中，整体大小随深度的加深而增大，异常幅值一般。

Y3异常区：分布零散，在20 m层段面积最大，60 m层段面积最小，异常幅值很弱。

3.3 物探资料综合解释

两种物探手段的综合异常分布如图7所示，工作面顶板探测三维示意图如图8所示。对比两种单一物探手段的资料解释可以发现，两种物探手段划分的异常区域相对应但并不完全重叠，主要是由探测原理及解释技术的不同所造成的。

如图7所示，两种物探手段对于相对异常区域的划分在1号异常区与2号异常区左半侧高度重叠，而在其他部分分布分散且不重合。结合3.1节与3.2节的相对异常幅值大小的分析推断，1号异常区与2号异常区左半侧异常区重叠面积大，相对异常幅值也比其他区域较大，为重点关注区域。

根据地质资料分析可知，工作面左侧风化更严重，充水条件富足。因此，本次综合物探最终解释结论为：1号异常区、2号异常区左侧主要为顶板新鲜基岩和风化基岩含水层相对富水所致。

4 物探成果钻探验证

为了进一步验证综合物探在44205工作面内的成果，设计在顶板打探放水钻孔来探查顶板富水区域的情况。共设钻场7个，钻孔23个，其中9个钻孔的目标方位位于综合物探解释的重点异常区，14个钻孔的目标方位位于综合物探解释的正常区域。本次钻探验证的情况如图9所示。

出水钻孔共计5个。其中，Z16钻孔出水量最大，达到10 m3/h，但经过10 d的放水后，出水量衰减至7 m3/h;Z9钻孔出水量为2 m3/h;Z10、Z17、Z19出水量为4 m3/h。各钻孔出水情况表明，本次出水位置主要集中在工作面顶板1号异常区域以及2号异常区域左侧，其他位置只有少量淋水，属正常现象。

从钻孔涌水量变化情况中可推断出：含水区域的水经过一段时间的疏放后呈逐渐减小趋势，截至目前涌水量比较稳定，说明该含水区域以动态补给水量为主，局部静储量水较多。

5 结语

通过44205工作面顶板综合物探富水异常区域的探测，结合钻探结果的验证，证明了两种物探手段在单独解释时，尽管也将主要异常区域划分在内，但依然有大片的伪异常区域干扰判断，而综合物探方法对于异常区域的划分准确性比单一物探手段高。通过工作面相对低阻异常区的三维建模，翔实直观地展示了工作面中富水异常区的分布位置及形状范围。最后，通过钻探验证，确定富水异常区所在的出水层位，为矿井防治水工作提供了可靠的参考依据。

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