音频电穿透技术在探查工作面顶板富水性的应用

张国恩，解振华，史洪恺

（国家能源集团神东煤炭集团 乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017205）

随着我国采矿业不断的发展，机械化开采水平不断提高，煤矿回采工作面的长度和宽度逐渐趋于增大，导致工作面内部存在隐伏构造的可能性也越来越高[1-2]，对于神东矿区浅埋煤层受松散含水层下影响的超长采煤工作面，其导水构造显现的问题已成为影响矿井安全回采的关键性问题[3-5]。近年来，众多学者专家在回采工作面内部存在隐伏构造上做了大量的研究并取得了显著成果。徐建兵等[6]利用精细化解释技术对瞬变电磁二次场响应物理场特征进行了研究，得到高分辨的视电阻率成果图；于景邨、马莲净等[7-8]总结现有探测方法对综合物探技术在煤矿防治水工作中的实际应用情况进行深入性研究。经过众多专家学者的研究[9-16]，国内外对矿井水害探测技术已趋于成熟，但浅埋煤层受松散含水层下影响的超长采煤工作面内部导水构造有待进一步深入研究。矿井水害探测的物探方法中传统直流电法受井下防爆规定限制及空间的影响，实际应用过程中受到较大限制；地质雷达法探测距离相对较短，不适应于采煤工作面探测；瞬变电磁法主要以探查掘进前方内部导水构造情况为主，而音频电穿透法利用岩石之间存在的导电差异性，对顶板上部富水性较强及低阻区的地质异常体探测较为灵敏。为此运用矿井音频电透视交汇法对乌兰木伦煤矿松散含水层下回采工作面顶板上部岩层导水构造进行探查，推断含水层内部水的分布范围及分析采空区积水的分布范围，保证回采安全，为该矿工作面防治水工作提供基础数据，也为类似矿井单位回采工作面导水构造探测提供参考。

1 工程概况

乌兰木伦煤矿现开采12与31煤层，即将开采22煤层，为浅埋深煤层。12与22煤层平均层间距23 m，22与31煤层平均层间距33 m。按照顺序开采，最上部的12煤层开采后局部导通上覆第四系松散含水层，由于松散含水层厚度较大，开采后形成的导水裂缝带随着时间推移有部分闭合，主要含水层第四系松散含水层下降幅度不大，下组煤层开采时再次成为主要含水层。探测选取12421工作面与31411工作面分析其顶板岩层的电性变化特征。

12421工作面煤层厚度1.5～2.7 m，平均厚度2.1 m。工作面含水层主要为松散含水层和基岩孔隙裂隙含水层，其中松散含水层厚为0～20 m，由切眼向回撤通道厚度逐渐变薄。基岩孔隙裂隙含水层渗透性能差，为弱富水性。在物探区域内松散含水层厚度为0～13 m，在回采过程中产生的裂缝可能导通上部含水层。

31411工作面上覆基岩厚度87～177 m，最薄位于31411-1工作面切眼处。工作面初采段位于廉家海子古冲沟沟底附近，上覆基岩厚度最小87 m，对应松散含水层厚度最大45 m。工作面推采至371～1 296 m上覆为12418工作面～12421工作面采空区，层间距51～53 m，平均52 m。31煤层实测裂采比20.85～24.78计算，工作面回采后导水断裂带高度为83.4～99.1 m，回采后可能会导通上覆松散含水层水及上覆采空区水。

2 采煤工作面导水构造电性特征

研究表明[17-19]，当存在局部异常地质体时，点电源分布特征可等效于原始点电源场与局部异常地质体附加场的总和。异常地质体规模体积与含水强弱的综合反映越大，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。

矿井音频电穿透法以全空间电场分布理论为基础。煤层与其顶、底板一般为砂岩、泥岩互层具有明显的电性差异。而煤层相对其顶、底板为高阻层。根据镜像法[20-21]，可以求出全空间内任意点的电位表达式为：

式中：Ui，j为第i层的点源在第j层的电位；I为电流强度；L为供电点至观测点的距离；ρi为第i层的电阻率值；kn（i，j）为反射系数函数。

3 工作面测点的布置与音频电透视法探测

探测仪器选择音频电穿透仪，探测频率选择15 Hz与120 Hz双频点进行施工，测量点间距10 m，发射点间距50 m。音频电透视原理示意图如图1。Ai与Ak、Aj与AI表示双频交叉探测点。通过实时数据采集分析，探查12421工作面顶板上0～50、50～100 m内岩层与31411工作面顶板上0～60 m内岩层的赋水异常区的平面位置、形态及相对含水性的强弱。

图1 音频电透视原理示意图Fig.1 Diagram of principle of audio frequency electric perspective

12421工作面为刀把面，第1段工作面长为1 593.42 m，宽338.5 m，第2段工作面长为142 m，宽为90 m。物探工程选取第1段工作面，施工长度为500 m，0号测点在12421工作面回风巷道24联巷，距12421-2工作面切眼600 m位置；50号测点位置在12421工作面34联巷，距12421-2工作面切眼100 m；回风巷道与主运巷道各布置测点51个，共计测点102个。

31411工作面分为31411-1工作面和31411-2工作面2段进行施工探测，31411-1工作面第1段工作面施工长度660 m，宽305 m，0号测点在主回撤通道处，测线的终点在31411工作面主运巷道27联巷，主运巷道与对应回风巷道各布置测点67个，共计测点134个。31411-2工作面施工长度870 m，宽305 m，0号测点在主运巷道40联巷，测线的终点在31411工作面主运巷道55联巷，主运巷道与对应回风巷道各布置测点88个，共计测点176个。

4 综合物探成果分析

4.1 12421工作面顶板音频电透视成果

该回采工作面受到上覆松散含水层和基岩孔隙裂隙含水层的积水威胁，物探区域基岩厚度在70～120 m，松散含水层厚度为0～13 m。12421回采工作面综合物探成果图如图2。

图2 12421回采工作面综合物探成果图Fig.2 Comprehensive geophysical exploration result map of 12421 stope face

由图2可得，12421工作面顶板上0～50 m附近层段内岩层共有4处异常，③、④号异常区幅值都相对较强，①、②号异常区幅值相对中等，异常区均呈不规则长条状分布，推测出该区域异常与上覆基岩孔隙裂隙含水层积水有关。顶板上50～100 m附近层段内岩层共有14处异常，①、④、⑥、⑬、⑭号异常区幅值都相对较强，②、③、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、⑪、⑫号异常区幅值相对中等，异常区主要呈不规则椭圆状与长条状分布，该区域异常与上覆松散含水层和基岩孔隙裂隙含水层积水有关。且③、④、⑬、⑭号异常区附近存在多条断层，则导水可能性较大。

4.2 31411工作面顶板音频电透视成果

该回采工作面受到上覆12#采空区积水影响，层间距51～53 m，顶板上0～60 m音频电透视成果图主要反映上覆采空区含赋水性，31411-1回采工作面综合物探成果图如图3。该工作面顶板上0～60 m附近层段内岩层共有17处异常，其中31411-1工作面顶板上有13处异常，该异常区段中①、②、③、⑦、⑪、⑫、⑬号异常区幅值都相对较强，④、⑤、⑥、⑧、⑨、⑩号异常区幅值相对中等，异常区主要呈不规则块状与长条状分布。异常区幅值较强的区域主要存在多条断层地质构造，则导水可能性较大。

图3 31411-1回采工作面综合物探成果图Fig.3 Comprehensive geophysical exploration result map of 31411-1 stope face

31411-2回采工作面综合物探成果图如图4。由图4可以看出，31411-2工作面顶板上有4处异常，该异常区段中，②、④号异常区幅值都相对较强，①、③号异常区幅值相对中等，异常区呈不规则半椭圆状与块状分布，①、③号未存在断层等构造，则导水可能性相对较小；②、④号附近存在断层地质构造，则导水可能性较大，尤其②号异常区幅值贯穿工作面，推测出该区域异常与上覆采空区含水性强有关。

4.3 采煤工作面顶板音频电透视成果综合解释

综合原始记录成果图与，结合现场考察与地质资料，对工作面物探异常区进行了划分圈定及判定。12421工作面顶板上0～50 m附近层段内岩层共有4处异常，12421工作面顶板上50～100 m附近层段内岩层共有14处异常。经钻探验证，在异常区打钻出水，水压较大，验证了该工作面受到上覆松散含水层和基岩孔隙裂隙含水层积水影响，且上覆松散含水层和基岩孔隙裂隙含水层含水性强。该工作面回采前需要做好上覆含水层水的探测和疏放工作，在确保安全的前提下回采12421工作面。

图4 31411-2回采工作面综合物探成果图Fig.4 Comprehensive geophysical exploration result map of 31411-2 stope face

31411工作面顶板上共发现17处异常区，经钻探验证在异常区打钻出水，出水量较多，验证了31411工作面受到上覆工作面采空区积水影响。建议将音频电穿透探测的异常区作为重点防治水区域，该探测成果为31411工作面采前防治水工作设计和实施提供了参考依据。

5结论

1）矿井裂隙水的导电性良好，因含水构造在电性上表现出与围岩较大的差异性，从而在纵向与横向上均打破了原有地层电性的固有变化规律，通过音频电穿透法进行探测，较为准确地查明了乌兰木伦煤矿松散含水层下回采工作面内部复杂的导水异常构造。

2）12421工作面顶板上覆松散含水层和基岩孔隙裂隙含水层的含水性相对较强；31411工作面顶板受到上覆工作面采空区积水影响。回采前还应考虑到顶板涌水情况，根据工作面防排水系统特征等情况，准备充足的防排水设施；回采过程中注意工作面水情监测、水文长观孔的水位变化观测、并及时进行分析，采取切实可行措施，确保生产安全。

3）探测成果是在采掘前相对静态、平衡条件下得到的，在工作面回采时，由于地应力失去平衡后，不导水的裂隙也会转变为导水裂隙，低阻异常区域是客观存在的，其能否通过裂隙、构造导水并发生涌出，还受其他诸多因素的影响和控制。