摘 要：淮北某煤矿1013工作面开采10煤层，走向长954米，倾斜宽201米，煤层厚度1.3m-4.1m，平均2.8m，倾角16°。煤层顶、底板岩层岩性一般为砂岩、泥岩，其含水性较弱，10煤底板下距一灰顶间距59m。太灰含水层是影响矿井生产的含水层之一，为承压含水层，富水性弱，不均一，其含水性主要受控于岩溶、孔隙、裂隙发育程度。受煤矿的委托，我单位采用音频电透视技术对工作面底板90米范围内岩层的富水性进行探查。本次物探井下数据采集工作于2020年8月14～15日完成。经对资料进行处理、分析，现提交最终成果报告，含附图3幅。
关键词：煤层顶底板；富水情况；矿井音频电透视
1、地质概况与任务
1.1、地质概况
1013工作面走向长954m，倾向宽201m，地表为农田及塌陷区，地面标高+26.02m，工作面上、下限为-375～-542.2m。1013工作面浅部是已收作的1011工作面，深部至F10-3断层煤柱线，切眼至F10断层煤柱线，收作线至工业广场保护煤柱线；其上覆为7211、7215、8211、8215工作面采空区。工作面开采10煤层，煤厚1.3～4.1m，平均2.8m，属简单结构煤层；煤层顶底板以为砂岩、泥岩为主，局部为粉砂岩；10煤黑色，玻璃光泽，以亮煤为主，暗煤次之薄层状。
工作面总体上为一走向近于北偏东，向南东倾斜的单斜构造，地层平均倾角16°；钻探及井下实揭断层19条，其中落差≥2m断层6条(具体见表1-1)。该面未发现岩浆岩侵入现象，煤层局部有增厚变薄现象。
1.2、水文地质条件
(1)顶底板砂岩水
工作面顶底板砂岩含水层富水性弱，对生产影响较小。7211、7215、8211、8215工作面采空区积水，10与8煤层间距在86m左右，7煤与8煤采空区积水对1013工作面回采影响较小。 (2)底板太灰上段岩溶水
工作面受底板灰岩水影响，10煤层距底板太灰岩溶含水层平均间距为59.1m，太灰含水层富水不均一。
1.3、探测任务
采用地球物理勘探手段查明1013工作面底板岩层的富水性及断层、裂隙含水情况，为防治水工作提供技术依据。
本次地球物理勘结合本工程项目的要求，采用音频电透视法进行探测。具体探测任务包括：
(1)采用音频电透视法探测1013工作面内底板90m范围内岩层电性分布特征，圈定工作面底板相对低阻区；
(2)根据音频电透视测试结果，结合工作面现有地质资料(主要是构造和水文地质条件)，分析与评价工作面底板岩层富水性，为矿井防治水工作提供依据。
2、技术方法及施工简介
2.1、地球物理基础
从不同岩性地层的物性差异的角度来分析我们所关心的地层，可以知道其一般变化规律为从泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层，电阻率值逐渐增高，即煤层相对其顶、底板为一相对高阻层；测区内煤系地层比较平缓且地层沉积序列清晰、地层相对稳定。正常地层组合条件下，在横向与纵向上物性都有固定的变化规律可循。
在构造发育带附近，或者出现层位错动、或者是地层产生揉皱变化，这种变化一般都伴随着一定范围内地层裂隙发育，从而为岩层水体的富集提供了有利空间。一旦裂隙充水，即相当局部出现有明显的含水构造，由于矿井裂隙水体的导电性良好，在纵向与横向上都打破了原有电性的固有变化规律。
上述物性变化的存在为以电性差异为应用前提的电磁法勘探方法的实施提供了良好的地球物理条件。
2.2、方法选择依据
本次井下物探采用矿井音频电透视技术。本次勘探之所以设计选择该技术，理由如下：
目前矿井音频电透视技术是能有效探测采煤工作面顶、底部岩层中含水性异常最有效的矿井物探技术之一。该技术已在山东、河北、河南、江苏、安徽、陕西、山西、四川、新疆、湖南等多个矿务局的采煤工作面得以推广应用，均取得了良好的地质效果，为煤矿防治水工作提供了有力指导。
2.3、测点布置与工作量、技术措施
（1）测点布置与工作量
物探测点以1013工作面机巷从J13点至切眼标点，风巷从j5点退后2m至切眼标点，用皮尺量距，以10m为点距编号。
1013机巷以J13点为1#点，往切眼方向编至1-103#点；1013风巷以j5点退后2m为1#点，往切眼方向编至1-100#点。物探测点与测量导线点联系、校对。设计发射点的间距为50m，接收点距10m。探测控制1013工作面走向长度约1000m。矿井音频电透视设计总工作量为440个物理点。
实际探测时，测点布置方案与设计一致，其中1013机巷标点为103个点、风巷标点100个，共计203个坐标点。
测点与导线点的对应关系如表2-1所示。 测网密度为：接收点距10m、供电点距50m，针对每个供电点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收(如图2-1所示)。 本次物探工作在1013工作面机巷、风巷分别布置发射点19个，共计38个发射点。每个发射点一般对应16～48个接收点。为了探测该区段底板不同深度的低阻异常区，施工时采用F=128Hz、16Hz两个频点依次测试。
工作量统计如表2-1所示： 从表中可看出，矿井音频电透视实际完成总工作量为440个物理点，完成设计要求的工作量。
（2）井下施工条件及采取的技术措施
井下物探施工时，机巷、风巷均有排水管、供电电缆，但因物探使用低频工作，这些因素对物探信号影响较小。
1013工作面机巷切眼往外60-80m范围内巷道低洼点积水，积水作为良导电体，容易造成发射信号非点电源、接收信号短路；探测时供电点位避开水体，实在避不开时，将供电电极往侧帮上方移动；接收电极MN分别布置在左右两帮上，其连线应垂直巷道走向。
巷道侧帮都有金属锚网，探测中保证电极不与金属网接触 探测中遇见底煤时，电极(特别是MN电极)打在实底上。
3、资料处理与解释原则
资料处理与解释方法有人工交汇法与CT成像法两种。1013工作面底板音频电透视探测采用CT成像方法解释。
交汇法就是根据集流效应使得点源场中低阻良导电地质体方向上的电位下降梯度增大(高阻地质体情况，则刚好相反)，由异常曲线的拐点来划分异常区间，并交汇出异常范围的方法。这种方法人为因素影响较大，因人而异，误差较大。
层析成像法：自1972年首台X射线CT机问世后，CT技术迅速渗透到地球物理勘探资料处理领域，穿透波也由X射线扩展到地震波、超声波、无线电波等。其探测应用范围也从人体扩展到整个地球物理勘探。八十年代中后期，S/M.Lee根据电磁波与地震波的相似性，实现了拟地震法电磁数据成像；我国在这方面的研究应用发展很快。现在地震波层析成像，无线电波层析成像等已取得了比较理想的地质效果。而矿井音频电透视法层析成像处理与分析，则是一种新的尝试。
矿井音频电透视层析成像原理：矿井音频电透视层析成像是利用穿过采煤工作面内的沿许多电力线(由供电点到测量点)的电位降数据来重建采面电性变化图像的。
异常阈值划分原则一般为复电导率均值+1/3标准偏差；复视电阻率值大于异常阈值视为异常范围；异常性质则根据异常形态结合地质条件进行综合分析、推断。
4、物探成果及地质解释
经过上述处理得出物探成果图件，将物探成果和已知的地质资料相结合，按从已知到未知，从点到线，由线到面，由浅入深的原则进行综合分析得出地质结论。 图4-1为1013工作面音频电透视探测复电导率拟断面图。图中的参数为两个不同深度层段平行于10煤层底板的曲面附近地层的复电导率值；图中不同的颜色代表不同的视电阻率值，颜色由冷色调到暖色调说明阻值从小变大的趋势。
一般而言，在地层岩性切向相对均一的条件下，同一频率建立的电场所获得的复电导率值越高，说明地层的综合导电性越好，含水也就越丰富。为此，按照频率域电场理论及实际探测经验，判定工作频率为128Hz复电导率勘探结果的有效勘探深度为50m，即对应工作面底板下0～50m岩层段；16Hz复电导率勘探结果的有效勘探深度范围为50～90m岩层段。
为确定不同深度岩层的电性异常区域，按照上节的统计解释原则，获得：
(1)1013工作面底板下0～50m层段岩层的复电导率值在52～67S/m间变化，平均值为58.48S/m，标准偏差为1.68S/m，该岩层段的异常阈值上限为59.04S/m；
(2)1013工作面底板下50～90m层段岩层复电导率值在47～64S/m间变化，平均值为53.38S/m，标准偏差为1.47S/m，该岩层段的异常阈值上限为53.87S/m；
按照上述异常阈值标准，对比分析0～50m和50～90m层段的复电导率分布特征，确定1013工作面底板存在4个异常区，编号为1～4号异常，具体分析见表4-1和附图2、3。
5、探测结论与建议
5.1、探测结论
(1)本项目已按合同要求完成现场勘探工作，数据质量可靠；
(2)1013工作面音频电透视探测电性分布特征表明，工作面底板90m范围内岩层总体富水性弱；
统计分析反映工作面底板存在4个相对电性异常区域：
1号异常主要发育在工作面里段，位于工作面切眼向外68m～130m。电性异常范围较小，推测该区受小断层构造影响，10煤层底板山西组砂岩层和太原组灰岩层裂隙发育，少量含水；
2号异常主要发育在工作面的中里段，位于工作面切眼向外200～300m。10煤底板山西组砂岩层内电性异常幅度比较小，推测为少量含水所致；太原组灰岩地层电性异常范围有所扩大，推测该区10煤底板太原组灰岩地层裂隙相对发育，少量含水；
3号异常发育在工作面中段，10煤底板山西组地层主要反映在工作面切眼向外360～480m，太原组地层主要反映在工作面切眼向外360～730m并靠风巷一侧。该区总体上电性异常幅度明显，范围大，推测该区受多条断层综合影响，10煤底板山西组砂岩和太原组灰岩含水层富水性较强，为本工作面重点防治水区域之一；
4号异常发育在工作面外段，位于工作面切眼向外770～1000m，该异常区在10煤底板90m范围内均有明显的反映，电性异常范围较大，推测该区受断层构造影响，10煤底板山西组砂岩含水层和太原组灰岩含水层内裂隙发育，富水性较强，为本工作面重点防治水区域之一。
5.2、建议
(1)根据电性参数值大小、分布形态，结合已有的地质资料及水文地质资料等综合考虑，本次物探测试获得的1～4号异常区，其中3和4号异常为重点防治水区域。针对以上各异常区，应采取钻孔探放水措施。考虑到工作面回采等各种因素，应首先施工相对较强富水区及先回采块段部分，钻孔施工应选择异常区内相对集中且电性异常幅度大的区域，本次施工顺序可按如下顺序考虑：3号、4号、2号和1号异常。若3和4号异常区钻孔出水量相对较小，则该工作面底板总体富水性弱。反之，则需进一步对2和1号异常区进行钻孔探放水，并结合探放水结果进一步分析物探成果。具体钻孔探放水设计严格遵循《煤矿防治水细则》；
(2)以上探测结论是根据电法探测资料的实际反映并结合有关水文地质资料分析而来。由于井下电法探测深度的限制，实际上成果资料反映的水文地质信息仅局限于一定深度(或高度)范围内地层的水文条件。而矿井涌水的变化不仅受井下电法涉及区域地层的水文地质条件，还与测区外的含水构造的发育、连通情况、补给源、水头压力及煤层厚度、采煤方法、回采速度等诸多因素相关。随着上述因素的不同变化，涌水量、涌水位置、时间也会在一定程度上变化。因此建议有关技术部门在回采前加强异常区探放水及治理工作；回采期间加强水文观测及资料收集工作，发现异常及时反馈给有关主管部门，以便及时采取防治水技术措施，确保生产安全。
附图1 1013工作面音频电透视测网示意图


附图2 1013工作面底板下0～50m岩层赋水性探测成

附图3 1013工作面底板下50～90m岩层赋水性探测成果图