直流電法技術在焦作煤礦防治水方面的應用

直流電法技術在焦作煤礦防治水方面的應用
焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司 地測處 郭純 李文軍 邢文平

摘要：介紹了井下直流電法技術在焦作煤礦的防治水多個方面的應用，如探測巷道掘進頭前方斷裂廠礦帶、劃分巖層貧富水區(qū)域、圈定工作面內易突水地段、評價工作面回采時的水害安全性、確定放水孔位置等，對直流電法的特點和應用中需注意的問題作了歸納。

焦作礦區(qū)是僵有名的大水礦區(qū)，礦井水壓高、補給豐富，水文地質條件極為復雜，曾發(fā)生17次突水淹井事故，造成了經濟損失。近年來隨著開采深度的延深，水害對礦井生產的威脅日益加大。為此，除了駕駛水文地質預測預報及井下鉆探工作兒，我公司大力開展了物探技術的推廣與應用，將防爆直流電法儀應用于水害防治的多個領域，取得了顯著的生產效果。焦煤（集團）公司已明文規(guī)定：所有頂層工作面必須進行電法勘探以確定回采水害安全性，否則不能進行回采作業(yè)。
1 直流電法技術的原理
直流電法勘探是以煤、巖層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入穩(wěn)定電流，觀測大地電流場拭目以待頒規(guī)律，從而確定巖、礦體物性（如貧、富水區(qū)域）的頒規(guī)律或地質構造（如斷層、裂隙發(fā)育區(qū)）的特征。
2 直流電法技術的工作方法
根據探測目的不同，直流電法工作裝置形式有多咱。井下通常應用對稱四極測深裝置、三極測深裝置和單極偶極裝置。
2.1 對稱四極測深裝置
工作布置方式為A-M-O-N----B，即以 O 點為中心，兩邊對稱布置A、M、N、B四個電極四個電極按比例由近及遠同步移動。
2.2 三極測深裝置
工作布置方式為A---M—O—N----B（*）。即以 O點為中心，兩邊對稱布置M]N兩個電極，A、M、N三極由近及遠逐步移動，B極位于無窮遠處。
上述兩種裝置中A、B、均為供電電極，用于向巖層供電；M、N均為測量電極，用于探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值。通過對不同地步、不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到探測巖性或構造的目的。
2.3單極偶極裝置
主要用于巷道掘導師頭超前探測，采用的工作布置方式為A1-----A2-----A3-----M-N-------B（#）， 基本A1、A2、A3、和B極為供電電極，位置固定不動（A1位于掘進頭處），用于向巖層供電，B極位于無窮遠處；M、N為測量電極，沿巷道移動探測地電場電壓。井下采集的原始探測數據，經專用軟件根據鏡象工作原理處理后得到A1、A2、A3三條結果曲線的相似性進行對比并結合各供電電極的相對位置關系進行分析（即：掘井頭正前方的低阻異常區(qū)在各條結果曲線上的位置反映關系應該與相應供電電極的位置關系具有一致性），即可得出物探結論。直流電法一般供電極距越長，供電電場頒范圍越廣，探測深度和兩邊輻射范圍越大。
3 直流電法技術拭目以待優(yōu)點和用途
直流電法技術具有理論成熟、方法靈活、儀器簡便、抗干擾能力強的優(yōu)點，可用于探測巷道掘進頭前方斷裂破碎帶和富水區(qū)（體）范圍、查找巷道周圍隱伏構造破碎帶位置、劃分頂底板巖層貧富水區(qū)域、確定放水孔位置及工作面回采時的易突水地段、評價工作面回采時的水害安全性等。
4 實例分析
4。1 超前探測巷道掘進頭前方斷裂破碎帶
演馬礦-200流水巷掘進過程中，我們用單極偶極裝置對掘進頭連續(xù)進行跟蹤式超前8月6日探測時發(fā)現掘進頭前方20.5~26.0m段存在一個團總支 為明顯的低阻異常段（圖1），物探判斷為斷裂破碎帶。布置鉆機打鉆探驗，鉆機進尺21.0m處探到斷層，證實了預測結果。
4.2 探測巷道周圍構造破碎帶位置、劃分貧富水區(qū)域，圈定工作面內易突水地段、評價工作面回采時的水害安全性
圖2為韓王礦25051工作面上風道直流電法（四極測深裝置）探測水文斷面（ST）圖，圖中等值線值為各點賦水性值（ST值由視電阻率值換算得來，此值越小賦水性相對越強）。物探結論為：切眼往外0~120段為低阻異常區(qū)（陰影區(qū)），異常極值為-70，導高較大，在工作面回采時伴隨礦壓來臨，此段極易引起底板突水，建議礦上保持水溝暢通并配備足夠的排水能力。實際回采時，當工作面推進到切眼往外32處發(fā)生底板突水，水量最大為660m3/h，最后穩(wěn)定在540m3/h。由于提前采取了預防措施，未造成大的災害。
圖3為朱村礦0371工作面下風道直流電法（四極測深裝置）探測水文斷面（ST）圖。物探結論為：切眼往外0~70m段為上下貫通狀低阻異常區(qū)（陰影區(qū)），異常極值-80，回采時底板極易突水。我們及時向礦上通報了險情。該工作面回采時在切眼往久58m處發(fā)生底板突水，平均水量達350m/h，因礦上排水設備出故障造成該面被淹。后經地面打鉆注漿封堵，一年后才得以回采。
圖４為古漢山礦11011工作面上風道直流電法（三極測深裝置）探測水文斷面（ST）圖。該面是古漢山礦投產后鳘個工作間面，北與輝縣市吳村煤礦接攘，二者以斷距20-50m的小鳳凹斷層為界。吳村煤礦內緊鄰的工作面曾發(fā)生特大奧灰突水事故造成一個采區(qū)被淹。為判斷11011工作面回采的安全性，我們重復進行了三次直流電法勘探，結論完全一致：上風道切眼往外40-210m段為低阻異常區(qū)（陰影區(qū)），異常極值-60，導高較大，回采時此段底板極易突水，且水源可能與下伏二灰及奧灰導通（此外水壓較高）。我們將這一情況及時匯報，集團公司領導研究后采納了物探建議，決定放放棄里段，于220m處重開切眼往外回采?，F該面已按新方案安全回采。
圖5為位村礦14061工作面下風道直流電法（四極測深裝置）探測水文斷面（ST）圖， 圖中陰影區(qū)代表低阻區(qū)，可以看出低阻區(qū)基本位于L8灰?guī)r頂界面以下、導高較小，距巷道底板較遠，物探結論為：此工作面回采時底板不會突水。實際回采非常順利。
4.3 確定放水孔位置
圖6為九里山礦14021工作面下風道直流電法（四極測深裝置）探測水文斷面（ST）圖。該面位于九里山礦西翼，水文地質條件復雜，為保障該面的安全回采，需提前打放水孔進行疏水降壓。由圖中看出，低阻異常區(qū)（陰影區(qū)）位于切眼往外0—110m、220—270m、和380—400m三段，根據物探結論，在30m和390m兩處布置了放水孔，兩孔出水量分別為78m3/h和39m3/h。
5 井下直流電法技術應用中需注意的幾個個問題
多年來，我們利用防爆直流電法儀在公司所屬九個生產礦井進行了120多個工作面（巷道）的探測，所得物探結論絕大多數已得到巷道掘進和工作面回采的證實，探測準確率在83%以上。在長期的探測實踐中，我們覺得有如下幾個問題需注意。
5.1 裝置形式
單極偶極裝置僅實用于巷道掘進頭超前探測。
四極和三極測深裝置應用較為廣泛。二者比較。四極測深裝置采集到的信號更強、信噪比更高，探測曲線的異常形態(tài)更為簡單、易解釋；三極測深裝置所需人員較少、井下布置更為方便，特別適于較短巷道內施工。實際探測時應根據探測目的和施工條件甄別選用。
5.2 資料處理與解釋方法
井下直流電法距目標體較近，放線極距較短，常采用間隔較小的算術坐標進行數據采集和資料處理與解釋。
井下巷道非煤巷即巖巷，電極極化現象一般不明顯，但因煤、巖層的硬與脆，電極接地條件往往不好。接地電阻較大造成井下探測曲線賀滑性往往比地面差，解釋時不宜進行單支曲線反演，更宜用斷面圖進行總體解釋。尤其是利用專用軟件擇采集到的視電阻率數據進行平滑消畸、突出異常處理得到的水文斷面（ST）圖的解釋效果比視電阻率斷面圖更為直觀、目標體或異常區(qū)更為突出，實際驗證效果更好。
5.3 干擾及應對辦法
井下直流電法探測的干擾主要來自四個方面：
一是存在鐵軌、皮帶架、刮板機、工鋼、礦車、扒矸機等金屬干擾物和水溝等邊疆低阻體；完整是巷道底板干濕不勻、局部地區(qū)存在積水段；三是巷道底板過分干燥引起的接地電阻過大；四是線路漏電影響。
實踐發(fā)現井下電器產生的電磁場影響往往可以忽略。對金屬干擾物和邊疆低阻體軹要讓電極盡量遠離或均勻保持一定距離即可。在巷道底板干濕不勻區(qū)段，應盡保持M、N極間物性均勻。巷道底板過分干燥地段，注意把電極打深打牢，必要時往電極孔中加入鹽水、塞入黃泥，或橫向易位再打。要經常檢查電線絕緣，避免線路漏電。
干擾成為影響探測效果和準確性的主要甚至是決定性因素，井下施工時要認真負責、不怕辛苦，使采集到的數據盡可能真實、合理。
5.4 體積效應問題
井下直流電法勘探屬于全空間范疇，其體積效應比起地面電法更加明顯，資料解釋時對異常區(qū)（體）具體文件和來源的判斷更加困難，這就需要盡可能與瞬變電磁等方向性較強的物探技術相配合，并緊密結合水文地質資料，多種手段并用、相互取長補短，盡可能作出合理準確的解釋。
總之，井下直流電法探測技術理論成熟、方法多樣、使用靈活，實用性及經驗性都很強，需要我們在實踐中不斷總結，把握規(guī)律，才能更好服務于煤礦的防治水工作。（結束）

摘自：《焦煤科技》 2005年第2期
作者簡介：郭純，男，河南新鄉(xiāng)人，物探工程師，1991年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學測物系勘察地球物理專業(yè)，現任焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司地測處物探科科長