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综合物探方法在景福煤矿底板水探测中的实践应用

2024-06-12 55 上传者：管理员

摘要：利用综合物探方法探测矿井地质构造与赋水状态可显著提高矿井防治水工作的可靠性。为探究景福煤矿15108工作面巷道底板赋水状态，采用音频电透视法和矿井直流电测深法对工作面巷道底板0～40 m与40～80 m范围内的含水异常区的位置、范围进行分区探测。结果表明：15108工作面底板共存在8处含水低阻异常区域，其中0～40 m区域与40～80 m区域内分别存在4处含水低阻异常区域。受到地质断层与陷落柱构造的影响，不同深度的含水区域在垂向上存在局部联通的可能性。

关键词：
底板水
水害防治
物探技术
矿井直流电法
音频电透视法
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煤矿井下含水层的赋存状态对矿井的安全生产会产生极大的威胁[1,2,3,4,5],是水害防治的重点与难点[6,7,8,9]。为探明井下的水害威胁，李宏杰[10]采用地面、井下、井上多维度综合物探技术对工作面带压开采的突水可能性进行了安全评价，并提出了突水系数法。李文等[11]根据探测地点对物探技术进行了分类。占文锋[12]指出在物探工作中应根据位置、目标、深度等不同因素，综合选用2种及以上的物探方法开展工作，可有效提高地质探测精度。周竹生等[13]通过结合地震折射波与瞬态瑞雷面法大幅提高了地质勘探效率，并降低了勘探成本。唐世庚等[14]通过结合地震折射波与高密度电阻率法，有效探明了隧道区域的覆盖层厚度以及围岩波速传播特性。姜贤斌等[15]通过结合高密度电阻率与EH4大地地磁法，提高了地层结构区域划分界限的精度。以上研究成果为综合物探方法在地质探测中的应用提供了大量研究基础，为探明景福煤矿15108工作面巷道底板水的赋存状态，拟采用音频电透视法与矿井直流电法进行综合分析，以保证探测结果的精度。

1、工程概况

矿井物探位于景福煤矿15108工作面，15108工作面北邻15107工作面(回采中),南邻15109工作面，切巷西邻井田边界，东侧为回风大巷及轨道大巷，工作面标高530～630 m, 对应地面标高1 150～1 280 m.数据采集测点布置在工作面两侧的15108回风巷道和15108进风巷道内。

工作面煤层厚度为4.45～4.55 m, 平均煤厚4.50 m, 煤层赋存稳定，结构简单，不含或含1层夹矸；根据工作面巷道实际揭露情况，本工作面煤层倾角为3°～10°,平均煤层倾角6°.

工作面总体地质构造为一东高、西低的单斜构造形态，煤层向西北倾伏，倾角一般为6°～10°,平均坡度为8°.结合井下实际揭露情况，工作面回风巷道揭露DX30陷落柱；进风巷道累计揭露DX25陷落柱、DF8正断层、DF5正断层，工作面共计揭露2条正断层和2个陷落柱。

15108工作面开采15号煤层。15号煤为石炭系太原组煤层，下距奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水岩组80 m左右。已有地质资料显示，15108工作面底板标高530～630 m, 奥灰水位标高645 m, 为带压开采煤层工作面，由于工作面内存在隐伏陷落柱和断层构造等地质现象，断层及陷落柱附近有可能顶板比较破碎并伴有淋水及底板涌水。

2、观测系统布置方式

2.1 音频电透视法

为更好地查明底板富水区分布情况，音频电透视探测采用64 Hz和8 Hz的工作频率控制整个工作面范围。15108工作面音频电透探测分别在15108工作面进风巷道和回风巷道布置测点，进风巷道布置起点位于开口前178 m处，结束点位于切眼处，回风巷道布置起点位于开口前178 m处，结束点位于切眼处；现场施工时发射点间距为50 m, 接收点间距为10 m, 每个发射点均在对应巷道进行64点扇形扫描接收，测量方法如图1所示。

图1 音频电透视法测量方式

在井下施工时，根据巷道具体情况，适当调整发射点位和接收范围。本次物探工作在进风与回风巷道分别布置发射点34个，接收点168个，共计发射点68个，接收点336个。

2.2 矿井直流电法

矿井直流电法分别在15108工作面进、回风布设测线，每隔10 m布设1个接收点，每个接收点采集数据31组。矿井直流电法是在单个巷道内作业，相对固定测量电极M、N向地下通电，以此建立半空间电场，由远及近到达电极A,以此达到由浅到深的探测目的，通过观测稳定电场的变化规律对地下异常体进行分析，施工布置方式如图2所示。

图2 矿井直流电测深法施工布置图

本次在进风巷道布置测线1 670 m, 测点168个；在回风巷道布置测线1 670 m, 测点168个。共计测线3 340 m, 测点336个。

3、数据分析

3.1 音频电穿透平面异常特征

图3为15108工作面底板下0～40 m层段音频电穿透视平面异常图。工作面底板下0～40 m深度范围内地层综合电导率值为0～30.6 s/m, 平均值为6.8 s/m.根据已有探测数据与探测经验，景福煤矿在此深度下的音频电透视法的异常区域阈值为7.4 s/m, 超过此阈值的电导率区域即判定为异常区域。因此，综合分析可知，在此工作面底板的0～40 m范围内共存在4处水害隐患区域，分别命名为YC1-1、YC1-2、YC1-3和YC1-4.YC1-1主要在进风巷道切眼向巷口方向50～130 m以及回风巷道切眼向巷口方向0～270 m范围之间；YC1-2主要在工作面进风巷道切眼向巷口方向760～790 m以及回风巷道切眼向巷口方向450～580 m、800～820 m范围之间；异常范围相对中等，异常幅值相对较弱。YC1-3主要在工作面进风巷道切眼向巷口方向1 250～1 290 m以及回风巷道切眼向巷口方向1 100～1 240 m范围之间； YC1-4主要在工作面进风巷道切眼向巷口方向1 630～1 670 m以及回风巷道切眼向巷口方向1 650～1 670 m范围之间；异常范围相对中等，异常幅值相对中等。

图3 15108工作面底板下0～40 m层段音频电透平面异常图

图4主要反映15号煤底板下40～80 m奥灰岩层低阻异常的分布趋势。工作面底板下40～80 m深度范围内地层综合电导率值为0～24.7 s/m, 平均值为12.5 s/m.根据已有探测数据与探测经验，景福煤矿在此深度下的音频电透视法的异常区域阈值为12.9 s/m, 超过此阈值的电导率区域即判定为异常区域。因此，综合分析可知，在此工作面底板的0～40 m范围内共存在4处水害隐患区域，分别命名为YC2-1、YC2-2、YC2-3和YC2-4.YC2-1主要在工作面进风巷道切眼向巷口方向0～10 m、70～140 m以及回风巷道切眼向巷口方向0～240 m之间；YC2-2主要在工作面进风巷道切眼向巷口方向740～800 m、850～890 m以及回风巷道切眼向巷口方向450～550 m、600～680 m、880～970 m之间；异常范围相对较大，异常幅值相对中等。YC2-3主要在工作面进风巷道切眼向巷口方向1 250～1 290 m以及回风巷道切眼向巷口方向1 200～1 260 m之间； YC2-4主要在工作面回风巷道切眼向巷口方向1 340～1 560 m之间；异常范围相对较大，异常幅值相对中等。

3.2 高密度直流电法断面异常特征

进风巷道视电阻率断面异常特征：从图5可以看出，进风巷道底板下共存在3处低阻异常区，分别命名为YC3-1、YC3-2和YC3-3.YC3-1位于进风巷道切眼往巷口方向30～100 m、160～250 m范围之间，纵向上从煤层底板至煤层底板下50 m范围内视电阻率值均较低，且随着深度的增加视电阻率值逐渐增大；YC3-1整体异常范围相对中等，异常幅值相对较强。YC3-2位于进风巷道切眼往巷口方向520～890 m范围之间，纵向上从煤层底板至煤层底板下50 m范围内视电阻率值较低且随着深度的增加视电阻率值逐渐增大。YC3-2异常范围相对较大，异常幅值相对较强。YC3-3位于进风巷道切眼往巷口方向1 020～1 110 m、1 190～1 250 m范围之间，纵向上从煤层底板至煤层底板下40 m范围内视电阻率值较低且随着深度的增加视电阻率值逐渐增大。YC3-3异常范围相对较大，异常幅值相对中等。

图4 15108工作面底板下40～80 m层段音频电透平面异常图

图5 15108工作面进风巷道底板直流电测深视电阻率等值线断面图

回风巷道视电阻率断面异常特征：从图6可以看出，回风巷道底板下共存在2处低阻异常区，命名为YC4-1和YC4-2.YC4-1位于回风巷道切眼往巷口方向0～230 m、 300～370 m 范围之间，0～230 m范围异常纵向上从煤层底板至煤层底板下80 m范围内视电阻率值较低且随着深度的增加视电阻率值逐渐增大，300～370 m范围异常在纵向上从煤层底板至煤层底板下80 m范围内视电阻率值较低且随着深度的增加视电阻率值逐渐增大。YC4-1异常范围相对较大，异常幅值相对较强。YC4-2位于回风巷道切眼往巷口方向1 110～1 270 m范围之间，纵向上从煤层底板至煤层底板下80 m范围内视电阻率值较低且随着深度的增加视电阻率值逐渐增大。YC4-2异常范围相对较大，异常幅值相对较强。

图6 15108工作面回风巷道底板直流电测深视电阻率等值线断面图

4、综合分析与判定

直流电测深和音频电穿透对工作面底板下的含富水异常分布情况进行了探测，直流电测深和音频电穿透两种方法在各自平面异常图或断面异常图中各发现了含水低阻异常区域，将异常区叠放到15108工作面采掘工程平面图上，结合两种方法的异常区域位置关系综合分析，得出综合成果图如图7所示。

根据地质资料进行综合分析判定，1号异常和5号异常范围内底板电测深探测结果表明，该处巷道底板下0～80 m内存在低阻异常，范围内揭露多条断层，综合分析1号异常和5号异常在垂向上存在局部联通的可能性。2号异常和6号异常范围内底板电测深探测结果表明，该处巷道底板下0～40 m内存在低阻异常，综合分析2号异常和6号异常可能为底板砂岩岩层在音频电透法不同层段的响应。3号异常和7号异常范围内回风巷底板电测深探测结果表明，该处巷道底板下0～70 m范围内存在低阻异常，范围内揭露多条断层和陷落柱，综合分析3号异常和7号异常在垂向上存在局部联通的可能性。4号异常和8号异常范围内底板电测深探测结果表明，该处巷道底板下0～80 m范围内不存在低阻异常，综合分析4号异常和8号异常可能为底板砂岩岩层在音频电透法不同层段的响应。

图7 综合物探成果图

5、结语

1) 采用音频电透视法与矿井直流电法作为综合物探方法，探测景福煤矿15108工作面底板的含水情况，音频电透视技术在进风与回风巷道分别布置发射点34个，接收点168个。矿井直流电技术在进风与回风巷道分别布置测线1 670 m, 测点168个。

2) 根据音频电穿透平面图与高密度直流电法断面图对综合物探结果进行分析，表明15108工作面在底板0～40 m与40～80 m区域内分别存在4处含水低阻异常区域。异常区分布位置大致相同。

3) 结合地质资料进行分析，引起1、4、5、8异常区域的因素为底板砂岩岩层不同层段响应的差异性。引起2、3、6、7异常区域的因素为矿井地层中存在的大量地质构造，在断层与陷落柱的影响下，矿井不同深度的含水区域在垂向上具有局部联通的可能性。

参考文献:

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