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| 综合物探方法在探查采煤面底板导水通道中的应用 |
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安徽理工大学 吴涛 张平松
摘要：在煤炭开采后，由于煤层底板的变形与破坏，在底板中形成导水裂隙带。当裂隙带发展到含水层时，在煤层底板中出现一条或多条导水通道，含水层中的水将沿着裂隙带涌向采空区，发生突水灾害。淮南某矿13321面底板灰岩存在导水通道，为保证13321面安全开采，需要查明通道位置并进行注浆处理。根据地质条件，决定采用并行电法和二维地震勘探技术相结合的综合物探方法对此进行探查。通过两种结果的综合对比分析最终获取该煤层底板灰岩层薄弱区段，为钻孔注浆提供靶区。
关键词：综合物探、并行电法、二维地震勘探、导水通道
0引言
随着我国煤矿开采不断延深，煤层底板突水威胁日趋严重。在煤层回采过程中，采场附近煤层底板岩层因应力变化产生变形、破坏而形成底板破坏裂隙带，因失去隔水能力形成导水裂隙带，使得底板隔水层厚度变薄，更容易与深部岩溶水导通发生突水事故[1-3]。因此研究开采过程中底板的变形规律，探查导水通道是今后煤矿安全生产的重要任务。传统的勘探方法如地质钻探、现场原位测试[4,5]等方法虽然可靠，但这些方法使用设备复杂、工期长投资大并且只能对单点进行勘察，结果以点带面。随着近年来矿井物探方法如并行电法、二维地震勘探技术[6,7]等的广泛应用，这些不足之处得到了很好的补充。
并行电法具有数据量大、效率高、分辨率高等优点，地震反射波能够对弹性波速渐变的地层做出比较精细的刻画。然而由于物探方法的多解性，只有综合两种或以上方法，充分考虑不同方法的特点，才能给出合理的地质解释。本文针对探查此矿13321面底板灰岩导水通道的问题，采用并行电法和二维地震勘探技术的综合物探方法，通过两种方法的对比分析最终获取该煤层底板灰岩层薄弱区段，为钻孔注浆提供靶区。
1地球物理方法原理
1.1并行电法原理
并行电法作为直流电法一种，其探测使用的仪器为并行电法仪，该仪器的最大优势在于任一电极供电，可在其余所有电极同时进行电位测量，可清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况，采集数据效率比传统的高密度电法仪又大大提高，是电法勘探技术的又一次飞跃，是国内率先使用的方法。例如：测在线布置64个电极，对于AM法采集，任一电极供电时，其余63个电极同时采集电位，这样其数据采集效率与串联采集相比，采集效率至少提高了63倍。不仅如此，通过AM法和ABM法装置自动顺次切换电极，取得大量的电法数据(如图1)。并行电法仪采集的数据为全电场空间电位值，保持电位测量的同步性，避免了不同时间测量数据的干扰问题。
 图1 并行电法采集电位图 （a）AM法；（b）ABM法
1.2二维地震勘探原理
井下反射地震勘探技术和地面地震原理相同，均是利用人工激发的地震波在岩煤层中传播时发生的反射现象，采集地震波数据，利用偏移成像技术获取探测空间的二维地震剖面，通过对地震剖面的解译得到目的层位的赋存特征及其它地质条件。
单边排列观测系统(如图2)指仅在接收点排列一侧激发的观测形式。设某一单边排列接收道数为R、道间距为I、偏移距为O、移动步距为P，由几何地震学知当界面水平时其反射段长度为 L=I*(R-1)/2。
图2 单边排列多次覆盖示意图
反之，根据测试波形求取反射相位时间，又可求解探测目标体的距离，即h=½v(t2-t1) ，从而进行地质解释。
数据处理中的“偏移成像”功能指在给定速度等参数后将地震时间剖面转换成空间剖面一种数据处理技术。它最大限度地将反射同相轴归位到空间反射点上，同时消除了由于倾斜界面、尖灭点等引起的反射相位“偏移”现象，因而有利于地震剖面的解释和应用。它所应用的原理就是多次覆盖原理。所谓多次覆盖就是共反射点水平叠加，简称水平叠加，它是对反射界面上同一反射点进行重复观测，而激发点和接收点是在不断改变。从而达到增强有效波、压制干扰波。
图3 单道观测系统波路图
2.1工程概况
淮南某矿13321面开采立槽煤A1煤层，其底板下方为灰岩地层，由于打钻过程中灰岩层段出现出水现象，判定采动过程中由于煤层底板的变形与破坏，在底板中形成导水裂隙带，且裂隙带已经发展到含水层，可能在煤层底板形成一条或多条导水通道，故需要对工作面走向上灰岩层段完整条件进行探查与评价，判断13321面底板灰岩存在的导水通道状况，为下一步技术措施制定提供依据。
2.2现场数据采集
按探测目的和要求，现场测试采用并行电法和二维地震勘探两种方法进行数据采集。
2.2.1并行电法现场布置
本次并行电法探测位于13321面回风巷道，于其中布置一个测站，共有电极64个，单位电极距5m，测线长度为315m(如图4)。
图4 直流电法及地震观测系统布置图
本次地震探测与并行电法探测同一条测线，采用断面测试方式，即在沿着探测帮、帮脚及底板布置3个检波器，每个点激震3次，炮点移动步距为2m，获得相应的测试剖面。
2.3探测结果分析
2.3.1直流并行电法
图5为沿回风巷侧帮向着底板灰岩一侧完成的电阻率剖面，其代表A1煤底板砂泥岩及灰岩层段走向方向的岩层电性条件及其变化特征。从中可以看出，电阻率值分布差异较为明显，其中在116钻孔附近为一相对低电阻率区域，而116孔往西部分岩层电阻率值较高。现以高阻代表岩层完整，低阻反映岩石可能相对富含裂隙水。由图可见，主要有两个相对低阻区(品红色线圈定范围)：E-1低阻区位于116孔附近，低阻区范围大，为主要的富含裂隙水区;E-2为图左侧相对富含水区，与E-1可能有水力联系。
 
图5 回风巷巷帮并行电法(温纳“α”法)视电阻率剖面图
岩层结构完整，界面清晰则反射波组连续明显，当岩层结构发生破坏会发生波组紊乱、错断，地震波频率变低等现象，据此对灰岩层段结构异常进行判断。
图6为沿回风巷侧帮向着底板灰岩一侧完成的二维地震剖面，其代表A1煤底板砂泥岩及灰岩层段走向方向的岩层完整性及其变化特征。该测线与电法测线相一致。由图可以看出，存在两个显著的地震异常区(蓝线圈定范围)，均表现出长尾状波组特征，反映其岩层结构中可能有多组反射现象，可能为裂隙带发育特征。两个异常区为：D-1区，位于116钻孔附近，范围较大;D-2位于D-1左侧，范围相对较小。
图6 回风巷巷帮二维地震剖面图
将电法和地震结果叠加以来综合分析，以两者重合区作为重点异常区(红线圈定范围)，重新圈定出探测区的地质异常区(黑线圈定范围)，如图7所示。1#异常区，位于116钻孔附近，范围较大，圈定出2个重点防治水区Z-1和Z-2区。2#异常区，范围较小，圈定出1个重点防治水区Z-3区。2个异常区间由于距离较近，可能有水力联系。建议现场结合Z-1、Z-2和Z-3区域进行钻孔设计与施工。并根据现场打钻情况作适当调整。
图7 回风巷巷帮综合物探地质解释图
1)通过并行电法和二维地震勘探方法对工作面底板岩层的物性差异的综合对比，相互佐证，基本查明煤层底板中可能存在导水通道的异常区域，圈定出Z-1、Z-2和Z-3三个重点防治水区域，极大地减少了防治水工作量。
2)本次综合物探方法从不同物性角度对探测成果做出了贡献，并行电法根据岩层电阻率差异了解煤层底板的含水、导水情况，二维地震勘探根据不连续波组反射现象判定裂隙带发育特征，两者优势互补，表现出成本低、效率高的特点。实践证明，综合物探技术相结合的勘探方法，已经成为煤矿采区地质勘探、煤矿防治水工作等的重要手段。
参考文献：
[1] 张金才,刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报，1990，15(2):46–55.
[2] 吕保民.矿井导水通道类型及其突水防治[J].山东煤炭科技,2006,(2):8-10.
[3] 施龙青,韩进.底板突水机理及预测预报[M].中国矿业大学出出版社,2004.
[4] 鲍井龙,杨从文,王继安.“钻孔双端封堵测漏”法在采煤工作面裂高测试中的应用[J].煤炭技术,2011,04:77-78.
[5] 康永华,王济忠,孔凡铭,等.覆岩破坏的钻孔观测方法[J].煤炭科学技术,2002,30(12):26-28.
[6] 吴荣新,张卫,张平松.并行电法监测工作面“垮落带”岩层动态变化[J].煤炭学报,2012,37(4):571-577.
[7] 张平松,刘盛东,吴荣新.地震波CT技术探测煤层上覆岩层破坏规律[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2510-2513.
作者简介：
吴涛，男，安徽理工大学地质工程专业硕士研究生，从事矿井物探技术研究
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