综合物探技术在矿井导水通道探测中的应用

吴记军

（安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

矿井水害是常见的地质灾害之一，针对已经发生底板出水的情况，如何准确查明水害源及导水通道仍是当前面临的重要难题。目前矿井电磁法是进行水害探测的有效物探方法[1]，由于水源导水通道一般体积较小，且单一物探方法具有一定的局限性，采用单一物探方法无法对底板导水通道进行准确探测[2]，因此，基于电法和瞬变电磁探测技术方法的特点，本文针对巷道迎头出水情况，将两种物探方法相结合[3，4]，首先采用瞬变电磁和电测深探测技术对巷道迎头前方及巷道底板下方区域进行综合探测，以查明富水异常区，然后利用极化率法对巷道底板进行探测，由于查明岩层及水害源的极化率差异，从而形成对巷道底板导水通道的精准探测。

1 探测原理

1.1 矿井瞬变电磁探测原理

瞬变电磁法属于时间域电磁感应方法，在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次磁场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。

1.2 电测深法基本原理

电测深法的电阻率法全称为“垂向电阻率测深法”。它用逐步改变供电电极距大小的办法来控制勘探深度，由浅入深，了解一个测点地下介质电阻率的垂向变化。

本文采用网络并行电法技术进行探测，网络并行电法为直流电阻率法的一种，是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术。通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据进行自动采样，采样过程没有空闲电极出现。智能电极与网络系统结合，实现了并行电法勘探，完全类似于地震勘探的数据采集功能，从而大大提高了电法数据的采集效率和数据量。它既具有集电测深和电剖面法集于一体的多装置、多极距的高密度组合功能，同时还具有多次覆盖叠加的优势。

1.3 直流电场的激发极化法

电流流过金属矿等电子导电颗粒和围岩溶液时，由于电化学的作用，在界面处产生超电压引起激发极化效应。在直流脉冲的激发下，可以根据电场随时间的变化来研究不同岩矿石的激发极化效应。

在时间域激电中，当仪器采用长脉冲形式供电时，通常以极化率的参数来表征极化介质的激电性质，η（T，t）值的计算公式为：

图2 瞬变电磁探测横向剖面成果图

式中∆U2（T，t）是供电时间为T和断电后t时刻测得的二次电位差。

2 探测实例分析

2.1 地质概况

某矿-735m轨道二石门巷道在掘进过程中迎头底板出水，经水样化验得知其内部含灰岩水。出水后矿方在迎头出水位置附近进行了注浆加固、封堵。轨道二石门巷道在BF33-1断层至BF33断层之间的施工过程中，由于断层影响，造成此段巷道底板距太原组灰岩最短距离仅13m左右，巷道剖面图见图1所示，因此灰岩水也是巷道安全掘进的一大威胁，为保障后期巷道的安全性，决定采用物探方法对导水通道进行探查，为后期导水通道的注浆封堵提供依据。

图1 探测区巷道剖面图

2.2 测线布置

2.2.1 瞬变电磁法探测

瞬变电磁超前探测按照扇形观测系统布置，以巷道迎头为中心点布置15个测点，实施瞬变电磁数据采集，每个数据点处观测6个方向，分别为顶板30°、掘进方向、底板15°、底板30°、底板45°和底板60°。

2.2.2 并行电法探测

本次并行电法超前探测观测系统布置依据实际掘进巷道周边地形条件，并行电法测线布置时以巷道迎头位置为1号电极点，以电极距3m向迎头后方布置，共布置电极101个，布置测线总长约为300m。现场数据采集采用AM法，分别采用0.1s、0.5s和2s的恒流供电时间进行测量。

2.3 探测成果分析

2.3.1 瞬变电磁超前探测

根据巷道迎头前方的瞬变电磁超前探测成果可以看出迎头前方探测区域整体视电阻率值较高，等值线变化相对平缓，探测区域内富水性较弱，表明迎头位置出水的水源来自于巷道迎头后方底板区域。

2.3.2 并行电法探测

巷道底板三极电测深探测成果图见图3所示，得出3处视电阻率值相对较低区域分别为CS1、CS2和CS3，分析其相对富水，其中CS1位于灰岩层位，CS2位于断层BF33附近，CS3位于砂岩层位。

图3 电测深探测成果图

根据并行电法探测时不同的供电时间数据，分别选取0.1s和2s恒流时间的电位数据，得出底板探测区域内的极化率分布成果图（图4），得出两处高极化率的异常区域JH1和JH2。表明该异常区域跟围岩相比导电性更好。

图4 极化率探测成果图

综合电测深和极化率探测成果，可以看出，JH1与CS1异常区位置基本吻合，JH2与CS3异常区位置基本吻合，表明该异常区域与围岩相比导电性更好，分析结果相对为富水且水的矿化度较高，为灰岩水反应。

2.3.3 导水通道分析

根据巷道迎头位置出水情况，结合测深成果图中的相对低阻异常区形态，可以推断出迎头位置出水的疑似导水通道，见图3中洋红色实线标识，迎头位置出水点的灰岩水水源来自于CS1异常区，该异常区表现为高极化率，为灰岩水的高矿化度反应，经岩层裂隙运移至CS3异常区位置，进而沿裂隙继续向上运移至迎头位置处，由于迎头出水位置及底板下方位置已进行完注浆封堵，导致靠近迎头下方区域位置呈现为高电阻率分布。

3 结论

（1）通过瞬变电磁法超前探测，迎头前方探测区域内无明显低阻异常区存在，排除了水源来自迎头前方区域的可能。

（2）在巷道后方进行底板电测深和极化率探测，得出了明显的低阻高极化异常区，根据水源的判断实现了对巷道底板导水通道的有效探测。

（3）采用多种物探方法相结合的综合探测技术，做到了统筹优势、互为补充，弥补了单一物探方法的劣势，更好的实现了水害源及导水通道的精细探查。