综合物探技术在探测矿井隐伏含水构造中的应用

华相征

（山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250100）

随着我国煤矿机械化开采水平的不断提高，工作面顺槽的掘进长度日趋增大，导致顺槽掘进时遭遇隐伏含水地质构造的可能性逐渐增大。据统计，60%矿井水害事故发生于掘进工作面，其中大部分是由于遭遇了隐伏含水构造。五里堠煤矿1130 工作面周围存在断层等地质构造，且顶板上方存在富水性较高的含水层，可能造成掘进回采巷道时遭遇顶板淋水。因此，综合采用远距离超前声波探测及矿井直流电法两种探测技术[1-6]，对1130 回风顺槽掘进面前方的隐伏含水地质构造进行超前探测。

1 工程概况

五里堠煤矿隶属于山西潞安集团，矿井设计生产能力为120 Mt /a，主采14#煤层，平均煤厚4.57 m，煤层倾角3°～8°，煤层结构简单稳定。根据钻孔观测，14#煤层顶板岩性多为粉砂岩及砂质泥岩，煤层底板主要由泥岩、砂质泥岩组成。在顶板上方存在两个主要含水层，分别为L9 灰岩和 L4 灰岩。其中，L9 灰岩含水层位于14#煤层上方27.1 m 处，平均厚度8.3 m，中等富水；L4 灰岩含水层位于14#煤层上方92.7 m 处，平均厚度12.7 m，裂隙岩溶较发育，部分裂隙与L9 灰岩含水层贯通。

1130 工作面位于井田东部，北侧及南侧分别存在有断层F30、F18，东部为煤柱。1130 工作面顶底板裂隙较为发育，L9、L4 灰岩含水层富水性高，加之周围断层导水的影响，突水系数较高。因此，预见1130 回风顺槽在掘进时会遭遇顶板淋水、底板突水等水害事故，严重影响井下的安全生产。为消除安全隐患，需在掘进时提前探测掘进面前方的隐伏地质构造及其富水性，为1130 回风顺槽的安全高效掘进提供保障。

2 综合物探技术原理

2.1 远距离超前声波探测原理

自然界中岩石的差异性较大，远距离超前声波探测通过人为激发地震波（声波），差异性岩体在收到声波后反射出的声波也不尽相同，因此可根据反射波的不同对地质构造进行探测。本次远距离探测采用DTC－150 防爆地质超前探测仪，其工作原理如图1，一般是在距掘进面迎头不远处的巷帮上炮孔，用以激发地震波既声波，在远离炮孔激发点的后巷布置反射波接收器，并通过方向滤波等方式对接收到的反射波进行处理，分析其反射时长、能量大小、相位特征等信息，以此得出掘进工作面前方的断层、陷落柱等地质构造的分布情况。

图1 远距离超前声波探测原理

2.2 矿井直流电法

矿井直流电法是以不同岩性岩石的导电性不同为基础，人工向地层内释放电流，并根据地层中电流的分布情况判断地质构造体的矿物特性及其含水性。其工作原理如图2，在掘进巷道中，将一个供电电极B 布置在距掘进面迎头“无穷远”处，另外3 个供电电极A1、A2、A3以一定间隔距离依次布置在掘进面迎头附近。探测时，对3 个电极Ai供电，使得电极Ai向四周发射电流并形成球状等势面，通过等势面的变化探测前方的电性异常状况，掘进面后方的电极测量站M、N 可以测量出电性异常，通过处理分析可得到掘进工作面前方的地质构造及富水情况。

图2 矿井直流电法探测原理

3 综合物探技术的现场应用

3.1 综合物探方案

地质构造体探测：采用远距离超前声波探测掘进面前方隐伏的地质构造体具体位置及其大小。在距1130 掘进面迎头10 m 处巷帮布置第一个炮孔，随后每隔1.5 m 布置一个炮孔，共布置24 个，炮孔孔深均为1.5 m，单孔装药量均为60 g，采用毫秒微差雷管依次起爆。在距最后一个炮孔后方20 m处布置声波接收孔，使用DTC－150 防爆地质超前探测仪进行反射声波的滤波收集，并通过软件处理得到探测范围内异常地质构造体的空间分布。

富水性探测：采用矿井直流电法对掘进面前方隐伏地质构造的富水性进行探测。在1130 掘进面正头附近布置第一个供电电极A1，随后每隔4 m 布置供电电极A2、A3，电极测量站M、N 之间间隔5 m。随着掘进面的前进，由里向外依次收集电极数据，并通过专业的电法软件对采集的数据进行处理和解释，得出掘进面前方探测范围内的地质富水特征。

3.2 物探结果分析

图3 为1130 回风顺槽掘进至166 m 通尺时，通过远距离超前声波探测法得到的掘进面前方纵波结果。可以看出，在距掘进面正头前方63.6～78.5 m（通尺229.6～244.5 m）存在一组界面反射区，其纵波、横波比值及泊松比都有明显的增加。基于此可推断出该区域煤岩体裂隙发育，为断层破碎带。

图3 远距离超前声波探测结果

图4 为1130 回风顺槽掘进至166 m 通尺时，矿井直流电法得出的探测结果。可以看出，在距掘进面正头前方63.1～70.2 m（通尺229.1～236.2 m）范围内存在电阻异常，电阻率较周围区域明显变低，推测该区域煤岩体相对破碎或富水程度相对较高。

图4 矿井直流电法探测结果

综合两种物探技术的探测结果，认为在1130 回风顺槽掘进至166 m 通尺时，距离其掘进面迎头前方63.1～78.5 m（通尺229.1～244.5 m）范围内可能存在断层破碎带，煤岩体裂隙发育且相对富水，掘进通过该区域时可能会出现顶板淋水、底板突水、围岩变形量较大等现象。

4 综合物探结果验证分析

1130 回风顺槽掘进至230 m 通尺时，揭露出断层F168，其主要参数为：落差达3.2 m，倾角为45°，方位角为332°，倾向与巷道掘进方向近乎垂直。掘进时顶板有明显的淋水现象，同时伴有底板轻微涌水。实际揭露位置及情况与物探结果吻合度较高，其中，远距离超前声波探测法探测出异常区的开始位置与实际揭露断层位置相差0.4 m，矿井直流电法探测出异常区的开始位置与实际揭露断层位置相差0.9 m，说明该综合物探技术的准确度较高。

在矿井前期的三维地质勘探中并未筛查出F168断层，表明其为隐伏含水构造。通过该综合物探技术对其进行了较准确的预测，为掘进工作面的防治水措施提供了依据，保障了矿井后续巷道的安全高效掘进。F168断层的揭露情况如图5。

图5 F168 断层实际揭露情况

5 结论

五里堠煤矿14#煤层顶板存在2 个主要含水层，分别为L9灰岩含水层和 L4灰岩含水层，并且两个含水层间裂隙发育贯通，成为矿井隐伏构造的主要充水源。为了保证1130 回风顺槽安全高效掘进，基于远距离超前声波探测及矿井直流电法的探测原理，结合1130 掘进工作面的实际条件，设计了综合物探技术方案，并预测出：在1130 回风顺槽掘进至229.1～244.5 m 通尺时，可能遇到断层破碎带，富水程度相对较高，可能会出现顶板淋水、围岩变形量较大等现象。实际揭露情况表明，1130 回风顺槽掘进至230 m 通尺时，揭露出隐伏断层构造F168，综合物探预测断层位置与实际揭露位置相差仅为0.4～0.9 m，说明该综合物探技术的准确度较高。