李宏泽，赵 磊，周官群，陈兴海，李洪明，杨玉冰，曹 煜，王宗涛

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001；2.合肥工业大学，合肥 230000；3.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，合肥 230000；4.中国科学技术大学，合肥 230000)

0 引言

直流电法超前探测方法是解决煤矿巷道掘进前方富水异常的重要物探方法之一，在我国矿井物探中有着近30年的发展历史，是《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》等煤矿相关技术规程中推荐的成熟技术[1]，其基本原理是基于球壳理论，根据巷道后方供电点电源所形成的电场分布，在巷道内测试不同位置电位异常并依据球壳等位面特征，将后方测试的异常对应到前方地质体的超前解释中。

即便如此，由于煤矿属于沉积岩地层，地层为层状分布，与球壳理论的均质体模型有较大差异，在实际工程案例中探测准确率有待提高，很多专家学者对此方法的原理及有效性提出了质疑，黄俊革等[2]计算了无限大板状体模型，结果显示仅利用视电阻率极值解释前方异常位置难度较大，认为该方法在理论上有待进一步研究和探讨;张平松[3]等认为球壳理论在超前探中扔具有诸多问题，有待进一步研究和探讨；程久龙[4]等指出了以三极法为主的直流电法超前探对含水小构造的探测能力仍然需要进一步的探讨，直流三极法对掘进工作面后方地质情况控制作用好，且对前后方异常具有可分性，因此与其他方法的综合探测、联合反演是其发展方向。李飞等[5]通过理论分析、数值模拟及实际工程案例，表明直流电法巷道掘进工作面超前探测方法探测精度和分辨率均较低，成果图中难以有效识别异常体的大小和位置，方法有待进一步研究;罗国平[6]通过球体解析解计算、地面相似性试验和实例分析，结论为该方法解释结果与实际相差较远;强建科等[7]通过解析解和三维数值模拟，发现后方视电阻率曲线单调下降，无法判断异常体位置;王鹏[1]等通过均匀全空间中点电源对板状体和球体的电场分布为基础开展的理论分析和数值模拟的方式说明了直流电法超前探中对前方的地质体有响应，但信号较弱，需通过高精度仪器及异常提取方式进行捕捉定位，超前探测的原理正确。

实际上直流电法超前探测数据的处理不仅仅是将后方的低阻异常镜像至巷道前方进行解释，还需要进行巷道空腔和后方局部不均匀体影响校正[8-12]和空间交汇[13]的处理方法对数据进行校正;在异常响应较弱的情况下，还需要进一步进行弱信号的提取，并通过建立异常位置和真实位置之间的经验公式来对异常位置加以校正[14-15]，才能得到相对准确的结果。

目前的直流电法超前探测成果异常划分主要是圈定相对异常，且同一区域的阈值主要根据大量工程的经验总结，是一个经验值，如新集矿区电法超前探的经验值为10Ω·m。经验值的得出源于同一矿区的地质条件类似，探测结果才有类比性和参考价值。基于此，将同一矿区的基本地质条件及地球物理背景场明确后，再以此为基础，利用正演的方法，设置巷道前方不同的富水性异常模型，进行模拟，进而推测出一个相对准确的经验阈值，对探测成果具有一定的参考价值。文章以新集矿区口孜东矿5煤为研究对象，进行分析研究。

1 矿区地质概况

1.1 地层情况

口孜东矿位于淮南煤田西部，陈桥背斜的南翼西段，总体为一不完整向斜构造，南翼被F1逆推断层切割，地层倾角平缓，一般20°左右。次一级褶曲不发育，仅在F1推覆体的断夹块内发育不对称紧密褶曲。

1.2 水文地质情况

松散层赋存特征相似，自上而下划分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底部“红层”共七个含(隔)水层组。其中三含砂层厚度较大，富水性中等～强。据抽水试验资料：单位涌水量q=0.355～3.627L/(s· m)，渗透系数k=3.47～7.25m/d，水质为HCO3-Na或HCO3·Cl-Na型，是矿区主要供水含水层之一。红层和三隔下段富水性极弱甚至无水，可作为新生界底部复合隔水层(组)，能有效阻隔新生界三含与基岩含水层间的水力联系。

2 5煤顶底板背景场的获取

巷道顶底板的岩性组合直接影响直流电法超前探的探测结果，必须确定地层的岩性组合特征及电阻率值，但实际煤层顶底板有较多地层，同时地层厚度在同一矿区也有一定的变化，不可能完全统计清楚，需对相似地层进行合并简化，以减小数值模拟工作量。

以井田内典型钻孔的测井资料作为依据，将测井电阻率值相近的地层合并为一个地层，再将地层厚度相加作为最终合并地层的厚度。

2.1 各层电阻率的获取

各地层电阻率获取的直接方法是岩石的实验室测试，但岩样取出后，应力释放，同时岩样在制样过程中的切割等操作会导致岩样表面温度升高，进一步导致所测得的岩样电阻率较实际值偏高；故岩石的原位电阻率测试方法获得的电阻率值最接近岩石真实电阻率值，利用岩石顶底板的探放水钻孔，进行小四极的孔内电阻率测试，获取各岩层的电阻率结果。图1为现场进行钻孔电阻率实测装置，结合测井资料统计的厚度信息，得到简化后的测量结果见表1。

表1 口孜东矿5煤顶底板地层组合特征Table 1 Coal Nio.5 roof and floor strata assemblage features in Kouzidong coalmine

图1 孔内电阻率测试装置Figure 1 Borehole resistivity measuring installation

2.2 含水岩层饱水电阻率

由于矿井水的矿化度较高，电阻率低，含水层在含水情况下的电阻率远低于实际电阻率，数值模拟所用低阻模型电阻率应参考岩石在饱水情况下的电阻率作为边界值。口孜东矿5煤顶底板含水层主要为顶板20m左右的细砂岩含水层及底板53m以下的中粗砂岩含水层，取这两层的砂岩水，并将岩心(直径为40mm，长度为15mm的圆柱体)浸泡其中，使其饱水，测定饱水情况下的砂岩电阻率，图2为岩石样本在砂岩水中浸泡不同时间的电阻率变化曲线，通过测量，顶板细砂岩饱水后的电阻率最终稳定在约30Ω·m，底板中粗砂岩饱水后的电阻率最终稳定在约6Ω·m，接近浸泡溶液的电阻率。

图2 5煤顶底板砂岩样本不同时间下的电阻率值Figure 2 Coal roof and floor sandstone sample resistivity under different times

2.3 地质-地电模型的建立

通过对顶底板岩层的合并及电阻率测定，最终获得口孜东矿5煤顶底板80m范围内合并后岩层的地质-地球物理模型，见表2。

表2 口孜东矿5煤顶底板岩性组合特征Table 2 Coal No.5 roof and floor lithologic assemblage features in Kouzidong coalmine

3 数值模拟及阈值的判定

共设置 6种直流电法正演模型，模型参数见表3，其中巷道尺寸：3m×3m×300m，电极数64个，电极间距4m，巷道空腔电阻率10 000Ω·m。5煤主要含水层为顶板15m以上、厚度为17m的砂岩及底板下50m处、厚度13m的中粗砂岩，含水层设定分别以这两层砂岩为主。

表3 正演模型参数Table 3 Forward model parameters

5煤顶板含水层为细砂岩，距5煤顶板h1=20m，5煤底板含水层为中粗砂岩，距5煤底板h2=53m。模型示意图见图3。

图3中6种模型模拟结果见图4至图9。

图3 正演模型参数Figure 3 Forward model parameters

1)地层不含水模拟结果。图4为5煤顶底板地层不含水情况下的直流电法超前探测模拟结果，由图4可见，前方电阻率值分布在80～150Ω·m。

图4 5煤地层不含水电法超前探测模拟结果Figure 4 Coal No.5 strata moisture-free electric advanced detection simulated result

2)顶板含水层含水模拟结果。图5为5煤顶板含水层饱水情况下的直流电法超前探测模拟结果，由图5可见，直流电法超前探结果前方电阻率值分布在38～68Ω·m，在巷道前方18～100m电阻率值降低，其中18m～40m处电阻率值最小，最小值为35Ω·m。低阻区位置与实际煤层顶板与顶板细砂岩垂直距离大致相等，但探测的低阻值比实际细砂岩饱水时高。

图5 5煤顶板含水电法超前探测模拟结果Figure 5 Coal No.5 roof water-bearing electric advanced detection simulated result

3)底板含水层含水模拟结果。图6为5煤底板含水层饱水情况下的直流电法超前探测模拟结果，由图6可见，直流电法超前探结果前方电阻率值分布在36～100Ω·m，在巷道前方39～100m电阻率值降低，其中45～68m处电阻率值最小，最小值为38Ω·m。低阻区位置与实际煤层底板与底板中粗砂岩垂直距离大致相等，探测的低阻值比实际细砂岩饱水时高。

图6 5煤底板含水电法超前探测模拟结果Figure 6 Coal No.5 floor water-bearing electric advanced detection simulated result

4)顶底板含水层同时含水模拟结果。图7为5煤顶底板含水层饱水情况下的直流电法超前探测模拟结果，由图7可见，直流电法超前探结果前方电阻率值整体降低，电阻率值分布在36～100Ω·m，巷道前方10～100m电阻率值降低，其中45～68m处电阻率值最小，最小值为35Ω·m。比实际岩层电阻率值高。

图7 5煤顶底板含水电法超前探测模拟结果Figure 7 Coal No.5 roof and floor water-bearing electric advanced detection simulated result

5)顶板局部含水模拟结果。图8为5煤顶板局部含水情况下的直流电法超前探测模拟结果，由图8可见，直流电法超前探结果前方电阻率值分布在60～150Ω·m，在巷道前方44～100m电阻率值降低，其中44～68m处电阻率值最小，最小值为60Ω·m。低阻区位置与模型设置基本一致，但电阻率值比实际值高。

图8 5煤顶板局部含水电法超前探测模拟结果Figure 8 Coal No.5 roof local water-bearing electric advanced detection simulated result

6)底板局部含水模拟结果。图9为5煤底板局部含水情况下的直流电法超前探测模拟结果，由图9可见，直流电法超前探结果前方电阻率值分布在60～150Ω·m，在巷道前方44～100m电阻率值降低，其中70～100m处电阻率值最小，最小值为65Ω·m。低阻区位置与模型设置基本一致，但电阻率值比实际值高。

图9 5煤底板局部含水电法超前探测模拟结果Figure 9 Coal No.5 floor local water-bearing electric advanced detection simulated result

7)低阻阈值的确定。巷道掘进过程中遇到的水害类型主要有顶底板砂岩水、灰岩水、老空水、断层水及陷落柱内的水等，一般情况下，砂岩含水静储量小，易疏干，不会发生突水等灾害性事故，容易致灾的水害为空腔内的水源，最需防范。由数值模拟结果可见，煤层顶底板砂岩不含水情况下，超前探测结果整体电阻率大于90Ω·m，随着顶底板砂岩的含水，会在一定范围内出现低阻响应，以顶底板砂岩全部饱水情况下的电阻率值最低，小于35Ω·m，故当超前探测结果电阻率值小于35Ω·m时，引起低阻响应的原因不仅仅来自于顶底板的砂岩水，需引起重视。

4 结果验证

探掘验证资料以口孜东矿140502工作面风巷T20点北55m超前探为例。

1)地质概况。该巷道南自西140502工作面风巷前段(T8点北37.73m)拨门按平巷揭5煤后跟煤层向北施工，西邻24勘探线，东邻DF23正断层，对应地表主要为村庄、农田与河流。

2)煤层控制情况。该巷道拨门位置位于5煤及其顶板岩层中。根据邻近地质勘探钻孔实揭资料，结合地质超前探查钻孔资料综合分析，该区该段5煤厚约6.25m；5煤距下部4-2煤层间距离约11.35m，其中4-2煤厚度约为2.51m。

3)地质构造情况。施工范围内岩层总体为一单斜构造，岩层产状218°∠8°～18°，沿巷道掘进方向岩层剖面南倾6°～16°，断面东倾1°～4°。该巷道在掘进过程中将揭露正断层FS3 150°∠55°H=3m。

4)水文地质及构造情况。140502风巷距上覆新生界松散层底界面高度介于71.1m～352.5m，工作面掘进不受新生界松散层孔隙水及风氧化带含水层影响。

140502风巷将临近DF23断层(落差29m～130m)掘进，下盘可能对接灰岩含水层，断层存在出水风险。工作面上覆导水裂缝带范围内5煤顶板砂岩含水层厚14.7m，岩性以细砂岩为主，裂隙发育，总体属静储量型，易疏干，在裂隙发育地段可能会出现滴淋水现象，对巷道掘进有一定影响。掘进期间将穿过FS3正断层，该断层落差较小，该断层对巷道掘进无水害威胁。巷道将从24-3、23-11钻孔附近穿过，上述钻孔封闭良好，故钻孔水对巷道掘进无水害威胁。钻孔水对巷道掘进无水害威胁。

5)探测结果与阈值验证。图10为140502工作面风巷T20点北55m迎头前方100m直流电法超前探测成果图，由图10和图11可见，地层视电阻率整体较高，视电阻率值大于10Ω·m，其中28～40m范围内电阻率值在34Ω·m左右，若根据以往的经验阈值10Ω·m判定，探测区域内整体富水性较弱。

图10 140502工作面风巷T20点北55m迎头直流电法超前探测结果Figure 10 Working face No.140502 airway point T20 north 55m front direct current advanced detection result

图11 调整色标后140502工作面风巷T20点北55m迎头直流电法超前探测结果Figure 11 Working face No.140502 airway point T20 north 55m front direct current advanced detection result after shade-guide adjustment

巷道掘进过程中，在探测点向前30m处顶板出现滴淋水情况，水量约5m3/h，很快疏干，为顶板砂岩水。异常区位置与28m～40m对应情况较好，且电阻率值与确定的阈值35Ω·m基本一致，说明确定的阈值具有实际参考价值。

5 结论

1)通过测井曲线及现场实测的方式获得的以矿区实际地质条件为基础建立的地质-地电模型进行模拟，同时是在同一矿区同一煤层的基础上研究获得，所确定的阈值具有实际参考意义。

2)通过数值模拟和实际工程案例的结果，进一步确定了直流电法超前探的可行性，且异常区域与探测结果具有一定的对应性，但异常区的范围通常比实际情况大。

3)实际地层与模型有一定的差异，且地质-地电具有不均匀性，通过模拟获得的阈值是在单一模型下获得，实际探测区域电阻率值在35Ω·m附近时都需引起关注。