音频电透视法在煤矿工作面顶板水探测中的应用

刘建国

（中国煤炭地质总局 物测队，河北 邢台 054000）

0 引 言

防治水一直是煤矿安全生产的一项重要前提工作，随着技术的发展和煤矿生产的需求，物探方法在煤矿防治水等工作中的应用愈来愈广泛，已作为煤矿防治水细则中要求的一项必要工作，通过利用各种物探方法手段，探测断层、陷落柱等构造的赋存情况，探查煤层顶底板富水情况，用以防止和减少水患事故。目前常用于解决煤矿水患问题的井下物探方法有，瞬变电磁法、直流电测深法及音频电透视等方法。此次采用音频电透视法对煤矿回采工作面顶板水的探测开展工作。

1 概 况

此次音频电透视法所探测工作面构造简单，煤层构造形态为向西的缓倾单斜构造，煤层单一稳定，工作面直接顶为油页岩。根据以往地质资料可知，工作面煤层上覆岩层为直接充水含水层。工作面开采时，局部区域顶底板及煤壁可能会出现少量淋水渗水现象，水源主要来自顶板裂隙淋水。

2 音频电透视法简介

2.1 音频电透视法原理

各类岩层具有各自不同的电阻率（或电导率），电法勘探就是通过探测井下不同位置岩层的电阻率（或电导率） 的差异来达到探查目标地质体的工作任务。在同一岩层内，电性分布相对均匀，而岩层的富水将对其电阻率（或电导率） 的高低情况起到决定性作用。若是岩层中不无水，则其导电性较差，使局部电阻率值增高（电导率值下降）；当岩层中含水时，因为矿井水的矿化度较高，所以岩层导电性较好，进而使局部电阻率值降低（电导率值升高）。音频电透视法即是通过专业仪器测量井下不同岩矿石之间导电差异影响的人工电场的分布形态，记录其分布规律，用以解决相关地质问题。因此可采用音频电透视法探测煤层顶板岩层视电导率值变化规律，推断解释顶板岩层富水分布情况。

2.2 工作布置

音频电透视法探测测点间距为10 m，发射点间距为50 m，测点从工作面两巷停采线开始布置至切眼，分别布置在工作面运输巷及回风巷内帮。工作中在发射点对应巷道中进行扇形采集接收数据。音频电透视法数据采集测点布置如图1 所示。

图1 音频电透视法数据采集测点布置示意Fig.1 Arrangement of data acquisition and measurement points of audio frequency electrofluoroscopy

3 音频电透视法数据处理解释

音频电透视法数据处理解释采用层析成像法，采用穿过回采工作面的沿诸多电场线的电位降数据来建立工作面电性变化图像。

设X 为供电点与测量点之间的连线，U为电位降，可以证明：

式中：δ（x，y） 为电性参数（是x，y 的位置函数）；C为调节系数。其中求取电导率值为视电导率值，它与真实电导率差异较大，是因为在CT 反演中对调节系数C的选取不同，可在数据处理时进行设置，以获得不同大小的视电导率值，但数据的改变是整体同步变大或变小，不影响对相对富水区的判定。本次计算的视电导率较大，是人为调整而成，其原因是反演的视电导率值一般较小，在成像表达过程中，利用颜色有时难以区分，故为便于清晰识别异常区，通过改变C值，同步放大了视电导率值。

现将整个研究范围分为J个单元来考虑（J=M×N），如图2 所示将所研究的问题离散化。假设第j 条射线穿过I个单元，则第j条射线上的电位降表达式为：

图2 单元剖分Fig.2 Unit subdivision

式中：rj,i分别为第j条射线位于第I单元内的长度，各单元序号是x，y 的位置函数；δj,i为第I 个单元内的电性参数。

将所有各射线建立方程，则有：

则所有问题转化为根据数据来计算δ 的值。采用多次迭代的近似值法来求其近似解。

此次成果按照以下解释原则进行：解释参数为视电导率，不是地质体真实的电导率，在量级上两者有较大差异，但不影响对良导介质（如含水体）分布范围的判定。CT 成像图用颜色划分，分级越多，越能精细地划分电性变化规律。在数据资料分析过程中，划分级别参考了相关地质资料，以便音频电透视成果资料更加符合实际情况。

4 成果分析

通常情况下，由于地层岩性相对均一，相同频率建立的人工电场观测得到的视电导率值越高，表明该区域地层导电性越好，富水可能性也就越强。因此按照频率域电场理论及实际工作经验，推断高频率视电导率探测结果的有效探测距离为0～50 m岩层段；低频率视电导率探测结果的有效探测距离为50～100 m 岩层段。

根据此次音频电透视成果（图3~图4） 可知，工作面顶板上0～50 m、50～100 m 范围内地层的综合视电导率值一般为1~12（S/m），其中顶板上0～50 m 范围有2 处明显视电导率值≥14（S/m）的异常条带，依据上述视电导率阈值标准，推断存在YC1 及YC2 两处电性异常区。工作面顶板上50～100 m 无明显异常区域（坐标原点为工作面运输巷与停采线交点处，原点垂直指向切眼方向为x轴正方向，垂直指向工作面回风巷为y 轴正方向，定义坐标（x，y），表示异常区范围在x、y 轴方向上的位置）。

图3 工作面顶板上0 ~ 50 m音频电透异常分布Fig.3 Abnormal distribution of 0~50 m audio electrotransmission on the working face roof

图4 工作面顶板上50 ~ 100 m音频电透异常分布Fig.4 Abnormal distribution of 50~100 m audio electrotransmission on the working face roof

推断分析认为YC1 应为顶板砂岩弱富水所致（回风巷2 450 ~2 500 m 段，回风巷向工作面0~55 m），分析认为YC2 对应的运输巷位置停放有部分机械设备，因此该异常可能为干扰影响所致（运输巷3 110~3 190 m段，运输巷向工作面0~100 m）。

5 结 论

（1） 此次解释的富水异常区的判定是基于音频电透视法探测的反映结果，从探测成果中可看出，音频电透视法对于煤层顶板上视电导率较高区域的特征反映比较明显，能够识别出煤层顶板上的富水异常区。

（2） 音频电透视资料反映的均是地层含水性的静态特性，在煤层开采时，煤层附近随着地应力的急剧变化，会使原生裂隙增大或产生新的裂隙，这将会导致裂隙水的赋存状态、位置也随之发生变化。

（3） 由于音频电透视法为间接探测手段，并且由于井下巷道中电缆、金属管道、皮带架、机电设备等干扰因素的存在，对解释成果有一定的影响。