２０１１年第８期 中州煤炭 总第１８８期 矿井直流电法勘探技术应用与分析 黄军辉 （郑煤集团公司超化煤矿，河南新密４５２３８５） 摘要：郑煤集团公司超化煤矿应用矿用ＹＤＺ（Ａ）数字直流电法仪进行老空积水边界、导水构造破碎带、富水 区探测，指导回采工作面底板预注浆加固处理工作，取得了良好的效果。实践应用表明：直流电法仪勘探方 法针对性强，可节省大量的钻探工程，并能有效防止矿井水害的发生。 关键词：矿井直流电法勘探；超前探测；测深；相对低阻异常区；防治水 中图分类号：Ｐ６３１．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—０５０６（２０１１）０８—００５０—０３ 矿井直流电法勘探通过在井下巷道周围岩层中 均不超过８０ ｍ，主要用于巷道底板破碎带，隐伏构 建立全空间的稳定人工电场，测量该电场的变化规 律，求取岩层的视电阻率，绘制视电阻率曲线图，从 而达到了解巷道周围岩层中的导水和含水构造的目 造及顶、底板，侧帮富水区的探测。①进行三极测深 （图２）时，接收极 、Ⅳ固定不动，间距８／１＂１，Ｂ为无 穷远极，放线直线距离同样不小于３００ ｍ，Ａ为发射 极，距接收极Ｍ或Ⅳ４ ｍ，按Ａ，、Ａ 、Ａ，…间距４ ｍ依 的…。为了科学有效地进行水害防治，超化煤矿应 用矿用ＹＤＺ（Ａ）数字直流电法仪，采用直流电法三 极超前探、三极测深及四极测深技术进行了大量的 次进行跑极，进行视电阻率的观测。②对称四极测 深（图３）是在巷道中以Ａ、Ｂ为发射极，Ｍ、Ⅳ为接收 勘探工作，取得了良好效果。 极，在测量过程中，Ａ、Ｂ分别以４ ｍ为间距逐渐增大 供电电极间距， 、Ⅳ分别以Ｉ ｎ＇ｌ为间距逐渐增大接 收电极问距，对应的垂直勘探深度将不断增大。 １ 基本方法 １．１超前探测 超前探测主要为三极超前探测，应用于掘进工 作面，探测巷道前方含水断层和富水区范围，其探测 距离不超过８０ ＩＴＩ。施工方法：布置供电极Ａ 、Ａ 、 图２ 三极测深施工布置示意 Ａ ，间距４ １１３，Ｂ为无穷远极，放线直线距离不小于 ３００ １ＴＩ，接收极 、Ⅳ间距２～６ ｎ＂ｌ，Ｍ、Ｎ交替移动，进 —ｒ—＿４Ｉ－ＴｉＩ ■叩■ ４ｍ — ． ．行测量。理论上 、Ⅳ电极间距２ ｍ测量密度大，探 测准确率高，但在实际应用当中发现 、Ⅳ间距太小 则容易受到环境干扰，而 、Ⅳ间距６ ｍ则测点密度 ‘一Ａ ｊｌｆ ＯⅣ— 口— 图３对称四极测深施工布置示意 低，因此现在普遍采用 、Ⅳ间距４ ｍ，既提高了测 量时的抗干扰性，又兼顾了测点密度，达到了最佳的 探测效果（图１）。 需说明的是，进行测深施工时，根据探测顶板、 底板或侧帮异常体的不同，要相应地将电极打在巷 底、巷顶或侧帮上。三极测深对地下地电异常体的 电性响应最强，其异常分辨率比对称装置高，施工时 Ｉ！：！ ：！±！：！ ：！ｉ！：！ ！ Ａｌ Ａ ２ Ａ ３ Ｍ Ⅳ ．． 一一一一一． 一 一一一． ．． ． 量 Ｍ‘ Ⅳ’ 基本可达到无盲区，适用于较短巷道内施工。但由 于是单点供电，所以测量信号较弱，探测深度相对较 浅。四极测深的优点是采集到的信号强、信噪比高， 图１ 三极超前探施工布置示意 探测能力强；缺点是施工时存在较长的探测盲区。 １．２ 测深 ２ 应用实例 ２００５年，郑煤集团超化煤矿应用矿用ＹＤＺ（Ａ） 数字直流电法仪进行老空积水边界、导水构造破碎 带、富水区探测，指导采面底板加固工作。 测深法有三极测深和对称四极测深，探测距离 收稿日期：２０１１—０４—２２ 作者简介：黄军辉（１９７５一），男，河南郾城人，助理工程师，１９９６年 毕业于河南省化工学校，现从事地质及防治水工作。 ・５Ｏ・ ２０１１年第８期 黄军辉：矿井直流电法勘探技术应用与分析 总第１８８期 ２．１ 复采工作面掘进期间超前探测老空积水边界 超化矿２１０５２工作面全区位于原２１０５１综采面 采空区内，根据工作面及四邻的水文地质条件分析， ２１０５２工作面内不存在大面积的老空积水，但不能 排除局部存在少量老空积水的可能。超化矿防治水 部门提出了对２１０５２运输巷、回风巷先以直流电法 超前探找出巷道前方的相对低阻异常区，确定是否 存在老空积水，从而进行有针对性的钻探验证。如 图４所示，回风巷掘进面前方６４ ｍ范围内无相对低 阻异常区，经分析无须进行钻探，可继续掘进。 ｇ ４ 氲３ ２ 嚣１ ０ 画苴 １２ 熊 超前探测距离，ｍ 图４ ２１０５２回风巷第３回次直流电法超前探测曲线 如图５所示，运输巷掘进面前方１５～１８ ｍ、４７ ～５５ ｍ段为相对低阻异常区，但经分析，前一处相 对低阻异常区可能为底板抬升所致，后一处相对低 阻区可能为积水边界，前方可能有老空积水，随后进 行了钻探，钻进至后一处低阻区时放出约５０ ｍ ／ｈ 的老空积水。由于使用了勘探手段，使２１０５２工作 面掘进期间钻探的工程量大大减少，节省了钻探时 问、人力和物力，并缓解了采掘接替紧张的局面。 吕 窝 图５ ２１０５２运输巷第６回次直流电法超前探测曲线 ２．２岩巷掘进中超前探测导水构造破碎带、富水区 对岩巷或煤巷掘进工作面而言，通过先施工直 流电法超前探，可发现前方发育的地质构造异常或 底板富水区 。 在超化矿３１胶带下山、３１轨道下山的掘进中， 主要施工层位为Ｌ７＿８灰岩，其水压在３．０ ＭＰａ以上， 施工中有约１０ ｍ ／ｈ的底板涌水，随着掘进的深人， 底板水有增大的趋势，且如果掘进中误揭断层，则有 可能会造成突水，经研究决定先对３１下山进行预注 浆堵水，再进行掘进。根据直流电法勘探结果，对 ３１下山施工前方的低阻区进行超前预注浆治理，有 效治理底板Ｌ１一 灰水，并防止了断层突水。 超化矿２３０７１Ａ工作面掘进切巷时，在下切口 处向南进行了超前探测，发现下切口南１８～２２ ｍ段 为一处相对低阻区（图６），分析可能有导水构造存 在，经施工探巷证实，此区域发育１条落差达５０ １ＴＩ 的导水断层，据此工作面切巷向西迁５０ ｍ预留了 ４０ ｍ的安全煤柱，工作面安全回采。 童 嫠 熏 图６ ２３０７１Ａ切巷直流电法超前探测曲线 ２．３ 在采面预注浆加固中的指导及验证作用 在超化矿，对于底板承压水水压小于３ ＭＰａ的 回采工作面，如２１０９１东工作面，利用直流电法勘探 进行底板测深，仅对勘探成果显示的相对低阻异常 区进行钻探验证及注浆治理，既有效地防治了底板 突水，又减少了底板注浆治理的钻孔工程量和费用。 当回采工作面底板承压水水压大于３ ＭＰａ时，在对 底板进行金面预注浆加固的同时，将勘探成果显示 的低阻区作为重点治理对象，极大地提高了防治水 工作成效。如２２１０１工作面，工作面底板充水含水 层主要有石炭系Ｌ Ｌ 、Ｌ 薄层灰岩岩溶裂隙含 水层和奥陶系中统马家沟组（０ ｍ）厚层灰岩岩溶裂 隙含水层。底板直接充水含水层 灰岩含水层通 过断裂带与下伏Ｃ ｔ、Ｌ 灰岩，甚至０ ｍ灰岩发生 水力联系时，会对二 煤层开采造成较大影响。 ２２１０１工作面贯通后，对此工作面实施了直流 电法测深探查，工作面西部１００ ｍ采用三极测深，东 部采用对称四极测深。勘探最小测深６ ＩＴ／，最大测 深４５ １ＴＩ（图７、图８）。 从图７可以看出，巷道底板中深部低阻区较多， 且部分电阻率较低，应为底板较为富水所致。从图 ８可以看出，东段阻值较高，低阻区主要分布在中 段，且中深部阻值小于４０ ｎ・ｍ的区段较多，可见中 段底板富水性较强。 结合直流电法勘探结果，对２２１０１工作面进行 底板注浆以改造Ｌ Ｌ 、ＬＩ＿３灰岩含水层，将勘探结 果中显示的构造破碎带和岩溶裂隙等导水通道作为 重点治理对象，以期达到预防０ ｍ灰岩水突水的最 终目的。 注浆加固结束后，重新以电法测深对２２１０１工 ・５１． ２０１１年第８期 中州煤炭 总第１８８期 作面底板的富水性进行了探查，通过比较发现，视电 异常区有明显的增大。２２１０１工作面在底板带压条 件下安全回采，带来了可观的经济效益和社会效益。 阻率整体较原来提高了２０—５０ ｎ・１＇／１，特别是低阻 图７ ２２１０１回风巷直流电法探测剖面 图８ ２２１０１运输巷直流电法探测剖面 ３施工注意事项 （１）在干扰信号较强时（如：电车开动、胶带及 刮板输送机运转、附近变压器工作等带来的电场干 扰），需避开此时或此地进行测量。另外，电极要安 设牢固，并尽量远离巷道中的铁轨、胶带架子、刮板 机槽、工字钢等金属干扰物。 （２）发射电流较小（小于３０ ｍＡ）时，应检查发 射电极是否接地良好，若巷底过于干燥，则需在电极 周围浇水。 反映进入异常体位置和穿出异常体位置。 （４）含水导水构造异常在成果剖面上呈现“低 阻”反映，包括前方断层导水、陷落柱、老空积水区、 地层裂隙水等；空洞、干燥破碎带呈现“高阻”反映， 因此资料解释时对异常区判断具有多解性，这需要 紧密结合地质及水文地质资料，作出具体的分析，才 能得出理想的结果。 ５ 结语 目前，郑煤集团公司在回采工作面的水害评价 中，已将直流电法勘探结果作为一项衡量底板含水 层是否具有突水性的一项重要指标，如工作面存在 相对低阻异常区，则必须采取相应的防治水措施，以 保证工作面正常回采。如工作面在回采前不对底板 施工直流电法探测，则不予验收通过。 （３）发射电极应安设在比较潮湿的地方，但是 一定要注意电极不能被地面的水导通，发射电极导 通会使发射电极没有距离差别，接收电极导通会使 测量电压值偏小。 （４）在施工前要注意检查电线是否绝缘，避免 线路漏电。 可以看出，井下直流电法勘探是一种实用性、经 验性很强的行之有效的矿井防治水技术，其自身有 一４资料分析解释 （１）成果剖面采用的是视电阻率梯度比值处理 定的弱点，在应用实践中还需不断探索规律，改进 工艺方法，使该技术能更好地服务于煤矿的防治水 工作。 结果，数值的高低反映的是相对电性变化情况，不代 表地层介质的真实电阻率。 （２）成果剖面上“低阻”数值的高低预示了前方 介质含水性的强弱，但这种关系并不是绝对的比例 关系，而是与整个工作区域的背景值有关，分析时要 引入“相对”的概念。 参考文献： ［１］王秀明．应用地球物理方法原理［Ｍ］．北京：石油工业出版社， ２０００． ［２］侯宏亮，苏伟，沈秋华．郑州矿区太灰水患及井下直流电法探 测技术研究［Ｊ］．能源技术与管理，２００７（６）：８２－８４． （３）直流电法超前探测成果对前方界面的变化 反映明显，但当异常的规模较大时，成果剖面可能只 ．（责任编辑：梁郁鑫） ５２．
