王云龙

（乌审旗蒙大矿业有限责任公司地测部，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

1 研究顶板富水性的意义

1.1 矿区顶板富水性现状

纳林河矿区处于鄂尔多斯煤田中部。矿区南部为榆横矿区，北部为呼吉尔特矿区，周边均为新近开发的产煤区。纳林河二号矿井主要水害威胁为顶板水。3-1 煤层顶板含水层以河流相沉积为主，含水层厚度大、水压力高、富水性不均一、局部区域富水性极强。含水层水以静储量为主，但局部区域动态补给量较大。

1.2 顶板富水性物探现状

3-1 煤顶板岩层富水性的复杂性和不均一性使工作面顶板水疏放难度大、回采过程中防治水工作难度极大。目前，中煤科工集团西安研究院有限公司使用的音频电透视技术能对顶板富水区分布平面位置进行探测，效果较好，但对富水区分布范围定位精度较低，富水区分布位置、规律与物探异常区存在一定的出入，导致疏放水钻孔有效布置和疏放存在困难。因此，需要应用一种快速、有效的方法对工作面顶板岩层富水区的垂向、横向分布范围进行精确探测、圈定，从而实现对工作面顶板富水区的精确定位，高效指导疏放水工作。

2 顶板物探的意义与研究现状

2.1 顶板物探的作用

根据《煤矿防治水细则》第四十一条规定：工作面回采前，应当查清采煤工作面及周边老空水、含水层富水性和断层、陷落柱含（导）水性等情况。

顶板物探是按照规定查清含水层富水性的最有效手段。回采工作面顶板物探也是指导顶板疏放水钻孔设计的依据，为顶板疏放水提供顶板富水区域、层位高度及富水程度等资料。目前，对物探和疏放水成果展示通常为二维断/平面图，成果图与工作面空间位置关系不直观，物探和疏放水成果分布形态不直观，易导致地测人员对成果资料的误解。因此，需要对工作面底板、物探和疏放水成果等要素进行三维建模，实现探放水成果的三维可视化。

2.2 顶板物探研究的发展状况

目前用于井下工作面顶板富水性探测的物探方法较多，有矿井瞬变电磁法、矿井直流电法、音频电穿透法等。矿井瞬变电磁法和矿井直流电法在陕北、内蒙地区大采宽（工作面宽大于300m）工作面顶板探测时，仅可以探测工作面顺槽顶板附近的富水性，无法实现对工作面顶板的覆盖探测。音频电穿透可以实现对工作面顶板的覆盖式探测，但目前的二维反演解释无法反应工作面顶板纵向上的富水性变化。鲁晶津等研究的井下电阻率三维反演成像[1]能在横向和纵向反应探测结果，但在实际应用中，其反演得到的低阻异常位于工作面顶板浅部（一般位于工作面顶板上60m 以内），与实际钻孔揭露的岩层分布规律常常不符。

音频电透视属于矿井电阻率法，近年来在矿井防治水工作中取得了重要进展，在矿井突水灾害的预测预报方面发挥了重要的作用。

1997 年，韩德品、石亚丁等对井下单极—偶极直流电透视原理及解释方法[2]进行了研究，为正确区分工作面顶、底板围岩和煤层内的地质异常提供了理论依据。1999年，中国矿业大学岳建华、刘树才等对井下直流电法的全空间场和巷道影响[3]进行了理论研究。2000—2001 年，韩德品、石亚丁、刘青雯等对矿井音频电穿透技术一维和二维数值模拟研究，全面地研究了工作面两巷道间电穿透建场方法理论和电场的分布规律[4]。2016 年，鲁晶津对典型断层构造的矿井电透视电性异常特征进行了三维数值模拟分析，并开展了矿井音频电透视井下三维电阻率反演成像技术研究[5]。2019 年，王程、鲁晶津将矿井音频电透视三维电阻率反演成像技术应用到了含/导水陷落柱探测中[6]，结果表明矿井音频电透视三维反演可准确识别含/导水陷落柱空间位置、展布范围等。

综上所述，由于矿井直流测深法、矿井瞬变电磁法等的局限性，导致其无法适用于蒙陕地区大采宽（工作面宽大于260m）工作面顶板富水区的探测，音频电透视适用于大采宽工作面顶板富水区探测，但目前的探测效果难以达到防治水高效、精确度高、可靠性高的要求，其施工、反演解释精度有待进一步改善和提高。

3 工作开展情况

3.1 前期工作

2007 年11 月，陕西省煤田地质局物探测量队在纳林河二号矿井首采区进行了地面瞬变电磁法勘探，共布设测线34 条，测线长87.76 km，物理点1 190 个。根据地面瞬变电磁法勘探资料，结合钻孔资料和前期水文研究成果，研究瞬变电磁法沉积约束反演技术，对纳林河二号井3-1煤顶板富水区宏观分布进行了分析判断。

利用纳林河二号井地面钻孔资料，研究3-1 煤顶板至地表各含水层、隔水层的分布规律。

本次研究的纳林河二号矿井31121 工作面为首采区北翼第1 个工作面，位于首采区北翼西部。工作面长2 628 m，宽300 m。根据北京天地科技股份有限公司提交的《31101工作面覆岩破坏观测成果总结报告》，开采3-1 煤时的裂采比为22.06，该工作面平均采高5.64 m，则导水裂隙发育高度约为124.4 m。因此，确定该工作面顶板疏放水范围为3-1 煤顶板以上125 m。

根据前期搜集的地质资料，31121工作面顶板以上125m内的主要含水层为侏罗系中统安定组和直罗组地层，厚度234.90 m～275.49 m，平均256.62 m。岩性上部安定组（J2a）为中、粗粒砂岩、砂质泥岩夹粉砂岩及细粒砂岩；下部直罗组（J2z）为中粗粒砂岩，杂色粉砂岩及砂质泥岩。根据首采区补充勘探，单位涌水量0.0273 L/s·m～0.1205 L/s·m（统降单位涌水量0.0187 L/s·m～0.07089 L/s·m），渗透系数0.01001 m/d～0.02845m/d，富水性弱。水化学类型为SO4-Na型水，矿化度6 122 mg/L～8 637mg/L。

3.2 音频电透视原理

由于地下各种岩（矿）石之间存在导电差异，影响着人工电场的分布形态。矿井音频电穿透法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的，是在2 个巷道内同时作业，相对固定供电（发射）电极A1、A2，移动测量电极M、N，对工作面进行以发射点为中心的扇形扫描，达到探测工作面平面的目的。

3.3 顶板音频电透视物探工作开展

2017 年11 月，项目团队人员在纳林河二号矿井31121工作面针对工作面顶板含水层富水区情况进行精细探测，本次音频电透视探测工作使用的仪器为中煤科工集团西安研究院研制并生产的YT120（A）（原DTS-IA）型防爆音频电透视仪，是一种应用于矿井条件下水文地质条件探查的专用仪器。本次音频电透视每50 m 一个发射点，每10 m 一个接收点，两顺槽各布置54 个发射点，264 个接收点，针对每个发射点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收，每个发射点对应7～21 个接收点，探测工作面长度为2 630 m，探测0 m～80 m 和80 m～120m 2 个层段。

本次工作面瞬变电磁和音频电透视井下数据采集工作于2017 年11 月7 日—2017 年11 月10 日和2017 年12月5 日—2017 年12 月31 日完成。

根据相关要求，音频电穿透检查点布置在异常区段，在2 条顺槽各布置了40 个检查点，质量检测工作量占瞬变电磁总工作量的6.06%，符合规范5%的要求。

采用人工交汇法与CT 成像法2 种方法对资料进行处理，形成相对应的音频电穿透两层段异常平面图。

3.4 资料分析与三维可视化

将钻孔资料、水文资料、地面瞬变电磁法探测成果和音频电透视法探测成果进行结合，对井下工作面、煤层顶/底板、顶板含水层、富水区等要素进行可视化研究与三维建模。

三维建模主要使用三维建模软件Voxler。Voxler 是美国Golden 软件公司的产品，用于绘制三维图形，是科技工作者所需的软件，在各行业应用比较广泛。将音频电透视法探测成果与地面瞬变电磁法探测成果、钻孔资料、水文资料等输入Voxler 三维建模软件后，经三维反演，得到三维可视化的工作面顶板富水异常区立体图，可直观显示富水异常区的横向和垂向上的情况。

3.5 三维可视化的优点

通过音频电透视法沉积约束三维反演技术，达到对工作面顶板富水区局部分布的精细探测的目的。三维建模实现了对工作面顶板起伏形态的三维展示，通过三维可视化模型可以直观显示工作面顶板中的向斜、背斜及起伏形态。

图1 为31121 工作面顶板形态三维图，图中实现了工作面顶板形态、顶板物探异常区和设计疏放水钻孔的空间对应关系。

图1 31121 工作面顶板形态三维图

4 三维可视化的成果应用情况

4.1 顶板疏放水孔的设计依据

以往使用的顶板音频电透视二维平面成果展示，只能显示出顶板含水层顶板富水区的平面位置和范围，无法显示富水区高度层位，不利于顶板疏放水孔的设计。

使用三维可视化的成果，可以立体展示顶板含水层富水区的平面位置范围和垂直高度层位，为顶板疏放水孔设计提供了重要依据。

31121工作面顶板物探发现顶板上0 m～120 m存在5处富水异常区，针对异常区布置了31 个疏放水钻孔。31 个钻孔终孔水压为1.2 MPa～3.3 MPa，平均水压力为1.77 MPa。如图2所示，通过钻孔终孔水压等值线图可以看出，整个工作面顶板存在2 处主要的富水区：1 号富水区对应4 号异常区，该区域大多数探放水钻孔涌水量均在10 m3/h 以上，其中Y4-2钻孔涌水量达到17.6 m3/h，为该区域涌水量最大的钻孔。2号富水区对应5 号异常区，该区域大多数探放水钻孔涌水量均在10 m3/h 以上，其中F1-2 钻孔涌水量18.5 m3/h 为所有疏放水钻孔中水量最大值。钻探揭露的31121 工作面顶板含水层富水性分布趋势与物探探测结果相吻合。

根据图2，可以从顶板低阻异常区分析出顶板富水区，并可直接查看可视化顶板富水区的富水高度情况，对设计顶板疏放水钻孔有直观的指导意义。

图2 31121 工作面富水异常区三维图

4.2 经济效益

31121 工作面原设计顶板疏放水孔129 个，根据该技术的探测成果对31121 工作面顶板疏放水钻孔进行优化后，31121 工作面共减少了钻孔98 个，减少工程量17 052 m，减少工期98 d，纳林河二号矿井降低了直接成本400.28 万元，降幅达72.49%。

2018 年3 月，将该项技术应用于3-1 上102 工作面，共减少了钻孔198 个，减少进尺34 452 m，减少工期198 d，纳林河二号矿井降低了直接成本810.8 万元，降幅达77.0 %。

目前，项目成果已经在纳林河二号矿井各回采工作面探放水工作中得到了广泛应用。

5 结论

针对3-1 煤顶板含水层富水性不均一、音频电穿透的二维反演解释无法反映工作面顶板纵向上的富水性变化情况，研究认为音频电透视物探成果资料有三维反演成像的可能性和必要性。2017 年12 月，在31121 工作面针对顶板含水层富水区进行了物探，通过对工作面物探数据进行三维反演计算，利用三维建模软件Voxler 对工作面顶板、物探异常区水压进行三维建模，得到了顶板含水层富水区的三维模型，用来优化顶板疏放水钻孔的设计，在含水量较大的富水区增加疏放水钻孔，从而达到准确疏放含水层水、有效指导顶板含水层治理的目的。

由于蒙陕地区普遍存在顶板水害问题，该技术体系推广应用前景较大，预计可为煤矿增加20%经济效益。