海孜矿直流电阻率法超前探测技术应用

海孜矿直流电阻率法超前探测技术应用
摘要本文介绍了矿井直流电阻率法超前探测技术的原理与方法。

以淮北海孜煤矿井下3101采区回风上山巷道超前探测为例，利用直流电阻率法在预测预报巷道前方含水体的探测结果，结合地质条件，确定含水异常区。

通过后期该巷道实际揭露验证，表明该方法在探测巷道前方含水异常体中起到良好效果，可以为巷道安全掘进提供可靠地质参数。

关键词矿井直流电阻率法；超前探测；含水异常区；地质参数
The Advanced Detection Technique Applied to Haizi Mine Using Direct Current Resistivity Method
LI Changing，REN Chunhui
Haizi Mine，HuaiBei Minning Stock Company，Huaibei，235146，AnhuiProvince，China
Abstract In this paper，the principle of mine direct current resistivity method is introduced.And the author analyse the application of direct current resistivity method to detect the water-bearing ahead of tunnelling in Haizi mine. After revealing the geological construct ahead of the tunnel，the practice results prove that the method is useful and effective ，thus provide with reliable geologic technical parameters for roadway drifting safety.
Keywords mine direct current resistivity，；advanced detection，；the abnormal area of water-bearing，；geological parameter.
0 引言
矿井巷道掘进头前方的断层构造、破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富含水体对巷道的掘进安全构成了严重威胁，也是煤矿发生重大突水事故的重要原因。

因此必须超前预测预报掘进前方富水性状况，以便采取有效的防治措施，防患于未然，保证巷道安全快速掘进。

目前此类科学技术手段总结起来主要有：地质类方法、钻探法、物探类方法3大类。

近年来物探类方法因操作便捷、快速、效果明显等优点得到广泛应用。

其中矿井直流电阻率法对水体反应敏感、准确率高，使之成为掘进巷道超前水害预测预报的主要技术手段之一。

本文针对海孜煤矿3101回风上山巷道地质条件，采用直流电阻率法探测掘进迎头前方岩层富水性，通过合理布置观测系统，获得掘进迎头前方电阻率分布特征，评价巷道掘进前方岩层富水性，进一步为巷道安全、快速掘进提供地质参数。

1 矿井直流电阻率法超前探测技术
1.1 技术理论
矿井直流电阻率法超前探测技术于20世纪80年代在直流电阻率法三极测深基础上发展而来，90年代得以推广应用。

该探测技术在矿井巷道掘进超前探测过程中，主要是依据单极—偶极电阻率法测量原理。

在均匀介质中，利用单点电源A供电，另一供电电极B置于“无穷远”（使B点电源场在探测区域内可以忽略），点电源A形成的等位面为球面，通过观测测量电极M、N之间的电位差，响应为MN球壳内岩体的综合电性响应。

在掘进头后方滚动布置供电测量电极组，测量电极之间的电位差，按公式（1）计算视电阻率值：
通常，电阻率相对围岩表现为低阻时，为MN球壳体积范围内有异常体（如导水断层等）表现特征；若断层破碎带不导水，则表现为相对高电阻率值。

因此通过分析视电阻率值的变化情况可预报掘进迎头前方电性异常。

1.2 多极供电观测系统
多极供电观测是一次布置电极多个，任一电极供电时，其余电极同时采集电位，这样可在短时间内完成多个供电点三极组合测试，取得大量的点电位数据，实现多极供电直流电法超前探测技术。

如图1所示，在掘进巷道迎头附近一次布置64个电极，其中迎头立面上布置A1~A4四个电极（视迎头断面大小而定），A5~A64沿巷道迎头后方底板按照一定极距布置，控制电法仪器使得A1至A64逐个供电，在电极供电的同时，采集其余非供电点的电位值。

根据需要可从中提取4~16个电极供电组合数据，依据数据处理方法表达巷道迎头前方岩体视电阻率。

1.3 数据处理
数据处理时以探测掌子面为相对零点，巷道前方为X正方向建立坐标系，分别来确定各电极点坐标，以便电法数据图像坐标与实际当日巷道掘进进尺点相对应。

对采集数据进行拼接、预处理，采用全空间三维电阻率反演技术，掘进巷道前方电阻率分布特征。

2 海孜矿3101回风上山巷道探测
2.1 地质条件分析
根据已知地质资料收集，分析3101采区回风上山巷道掘进时存在水害威胁。

影响掘进的主要水害：1）10煤层上部砂岩裂隙含水层：局部裂隙发育，含有砂岩裂隙水，赋水性相对较弱；2）巷道底板太灰水开挖巷道至底板太原组灰岩平均约47.1m，为巷道掘进主要灾害水源。

2.2 地球物理探测基础
因测区内地层沉积序列清晰，地层相对稳定，正常地层组合条件下，在横向与纵向上都有固定的变化规律等地层电性特点，使用电法探测技术能探测巷道掘进掌子面前方平面上的低阻含水构造分布规律，同时可以发现垂直于地层方向上不同深度的地质构造问题。

掘进前方岩层内的富水区，通常表现为低电阻率值区。

因此，富水区范围与正常围岩层间存在明显的电性差异，简而言之，富水区的存在都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律，为电法探测技术的实施提供了良好的地球物理基础。

2.3 现场数据采集
3101回风上山巷道超前探测现场采集数据5次（见表1），单次测试布置测线长度126m，施工64个电极，单位电极距离为2m，数据采集采用网络并行电法仪器，因其采集工作效率高，数据海量，故获取探测地电信息丰富。

2.4 资料分析及效果验证
综合1~5探测结果，将5次探测结果拼接合成一张完整且连续巷道掘进范围视电阻率断面，同时将巷道揭露岩性及地质异常情况绘制成地质信息断面，可直观对比探测结果的探采验证效果。

巷道周边岩层含水裂隙发育或断层等地质构造引起的岩性变化均会引起岩层电阻率值的变化，含水裂隙发育岩层较完整岩层视电阻率值低，砂岩至泥岩或煤层至岩层的岩性变化也会引起视电阻率值的降低。

巷道后期揭露。

巷道掘进过程中，共揭露6条断层，未见明显含水异常区。

对比探测视电阻率断面，在断层存在区域，视电阻率值均表现相对较低，其中除1处电阻率反应相对较弱外，其它各断层处均反应明显。

根据实际现场探测情况分析，认为在探测该处时，巷道后方相对施工积水较多，干扰大，从而造成异常响应效果较弱。

因此，针对探采验证对比，可凭具体评价应用效果如表2。

由表2可见，直流电阻率法探测岩层富水性准确，辅助地质构造探测准确度为5/6。

因此，说明电阻率法探测效果明显。

同时根据探采验证结果对比，分析视电阻率在该巷道超前探测时实际表现特征，总结认为，20Ω·m~30Ω·m为巷道前方岩性变化反映特征，而该岩性变化有基本为小断层引起所致。

3 结论
应用效果表明，直流电阻率法超前探测为海孜矿3101回风上山巷道掘进提供了可靠的地质技术指导，并通过多次应用，获得了一定的探测经验，如异常判定电阻率值为20Ω·m~30Ω·m等。

但同时也看到部分异常易受巷道施工条件的限制或现场存在电磁干扰而表现相对较弱，不易客观分辨，因此，矿井直流电阻率法现场数据采集时需避免干扰因数，故而为获取第一手可靠物探信号奠定基础，进一步提供探测地质解释精度，为巷道掘进提供技术保障。

参考文献
[1]胡雄武，张平松，吴荣新，等.矿井多极供电电阻率法超前探测技术研究[J].地球物理学进展，2010，25(5)：1709-1715.
[2]胡雄武，张平松.深部矿井电阻率法超前探测多极三维偏移处理[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2010(1).
[3]吴荣新，刘盛东，周官群.高分辨地电阻率法探测煤矿地质异常体[J].煤炭科学技术，2007(7).
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。