姜洪涛 李海亮 王龙飞

(1.济宁矿业集团矿产资源勘查开发有限公司，山东 济宁 272000；2.济宁市金桥煤矿，山东 金乡 272200)

煤矿水害作为煤矿常见的自然灾害，给国家和人民带来了极为严重的损失。目前煤矿开采深度越来越大，水害问题更是成为了制约煤矿生产的不安全因素。因此，煤矿水害防治刻不容缓，井下物探作为常用的煤矿水害防治技术手段，研究其新技术、新方法具有极其重要的意义[1-9]。

1 概述

金桥煤矿4303 工作面为该矿四采区首个工作面，北至四采区胶带下山，西邻四采区南翼车场，南临3 煤层露头，东为规划的4305 工作面，对应地表位置主要为农田。工作面回采3 煤，煤层底板标高-425.0～ -389.2 m，平均标高-411.6 m，工作面煤厚5.3～7.5 m，整个工作面区域煤厚平均为6.7 m，煤层结构较简单，煤层平均倾角4°。工作面沿顶板推进，实行长壁冒落法开采方式，设计开采高度2.8 m。3 煤层顶板多为细砂岩、中砂岩，其抗压强度相对较大，平均79.35 MPa，属于稳定煤层顶板；3 煤层底板为粉砂质泥岩、细砂岩，岩层发育稳定，属较稳定底板。工作面主要受第四系Ⅰ段含水层、3 煤层顶、底板砂岩含水层及三灰含水层影响。根据4303 工作面相邻的钻孔分析，第四系Ⅰ段含水层及3 煤层顶、底板砂岩含水层富水性弱。根据《煤矿防治水细则》计算巷道掘进期间安全隔水层厚度为3.79 m，依据巷道附近钻孔资料分析，巷道底板与三灰含水层最小层间距为53.49 m，大于安全隔水层厚度。综合计算工作面回采期间正常涌水量为82.8 m³/h，最大涌水量124.2 m³/h。

2 基本原理

并行电法属于直流电阻率法（常简称为直流电法）的一种，其基本原理为：将直流电源通过电极A、B 向大地供电，在地下建立稳定的半空间电场（如图1）。观测稳定电场的分布和变化情况，即可了解地层情况。

图1 地下稳定电流场装置图

为测量大地的电阻率，常在地表分别布设两个供电电极A、B 和两个测量电极M、N，电极A、M 与电极N、B 左右对称，该装置被称为对称四极装置（如图2）。其工作原理为：直流电源通过供电电极A、B 向地下发送电流，会在电阻率为ρ的地下均匀半空间建立起稳定的电场。在MN 处观测电位差ΔUMN大小。其表达式为：

图2 对称四级装置

装置系数：

从式中计算公式可以看出，K值的大小只与电极的相互位置有关。

本文阐述的网络并行电法，分为AM 法和ABM 法（如图3）两种采集模式，它是基于高密度电法勘探而发展起来的一项新技术。配套设备所采用的电极，每个都配备A/D 转换器，通过配套程序建立相应的网络协议，控制智能电极的供电和断开，实现并行自动采样。不论采用AM 或ABM 进行数据采集，网络并行电法采集来的数据均具有瞬时性和同时性，测线上所有的电位曲线都可以得到。同时，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，使用并行电法技术能探测工作面底板、底板中的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。

图3 网络并行电法采集电位图

3 数据处理

数据采集采用YBD11 并行高密度电法仪，该配套设备使用全电场观测技术同步采集所有测点的自然电场、一次电场电位和二次电场电位数据，采集数据量大，采集效率高，一次采集可获取整个探测区域内的电性特征。数据采集后，应用YBD11并行高密度电法仪配套专用软件，对原始数据进行处理，根据测线实际位置，对测点赋予相应坐标，对数据进行解编并进行叠加处理，同时对畸变数值进行剔除与校正，最后通过三维电法数据反演得到所需要的立体图及切面图（数据处理流程如图4）。

图4 电阻率数据处理流程图

4 应用实例

在金桥煤矿4303 工作面顺槽和切眼布置电法测线。其布置方式为：轨道顺槽自J1 测点开始至NJ16 测点结束，测线长度700 m；皮带顺槽和切眼自开1 测点开始经切眼至NJ19 测点结束，测线长度850 m。现场施工布置图如图5 所示，共布置电法测线2 条，每一测站底板施工完成后立即进行顶板探测。电极间距10 m，第一条测线控制长度850 m，第二条测线控制长度700 m，共完成4303 工作面巷道测线长度约1550 m。

图5 电法探测现场施工平面图

5 成果分析

4303 工作面数据采集结束，对数据进行处理后，在工作面顶、底板100 m 范围内，按每20 m 选取一个切片，形成了4303 工作面探测空间立体分布图（如图6）。

图6 4303 工作面探测空间立体分布图

（1）可以看出煤层顶板上方40～100 m 范围内整体的视电阻率值较高，均在10 Ω·m 以上，根据结果可以判断该区域富水性相对较弱。

（2）工作面顶板上方20 m 对应岩性为中砂岩，该层位存在1 个低阻异常区DZ1，该异常区靠近皮带顺槽和切眼附近，沿工作面走向长度为27 m，宽度51 m。该异常区处层位为煤层顶板上砂岩，顶板砂岩局部裂隙可能引起视电阻率低阻异常反应。

（3）工作面底板下方20 m 存在2 个低阻异常区DZ2、DZ3。其中DZ2 靠近4303 皮带顺槽，沿工作面走向长度为38 m，宽度30 m；DZ3 异常区靠近皮带顺槽和切眼交叉口，沿工作面走向长度为56 m，宽度52 m。该2 处异常区所处层位为煤层底板下砂岩，推断异常反应区为底板砂岩局部裂隙相对富水造成的视电阻率低阻异常反应。

（4）工作面底板下方60 m 存在1 个低阻异常区DZ4，位于面内，沿工作面走向长度为241 m，宽度130 m。该异常区的位置处于三灰层位，三灰岩溶裂隙局部富水，可能引起视电阻率低阻异常反应。

（5）工作面底板下方80～100 m 范围内整体的视电阻率值较高，均在10 Ω·m 以上，根据结果可以判断该区域富水性相对较弱。

6 钻探验证

根据并行电法解释结果，共圈定4 个低阻异常区，分别为顶板1#异常区和底板异常区2#、3#、4#。为了进一步排除工作面水害隐患，共施工异常区验证钻孔13 个，编号为1#～13#；非异常区钻孔2 个，编号14#、15#。钻孔位置如图7，钻孔揭露异常区出水情况见表1。

表1 异常区钻孔验证情况统计表

图7 4303 工作面物探低阻异常区验证设计图

异常区探查钻孔未见断层或陷落柱等地质构造。其中工作面内向顶板施工2 个探查孔，探查钻孔出水情况显示物探圈定的工作面顶板1#异常区富水性弱；工作面内向底板共施工13 个探查孔，探查钻孔出水情况显示物探圈定的工作面底板2#、3#、4#异常区均为富水异常区，3 煤层底板砂岩和三灰含水层局部富水。非异常区钻孔14#、15#未出水。

7 结论

（1）4303 工作面井下物探并行电法共完成测线长度1550 m，测线覆盖整个工作面，共圈定了4处低阻异常区。

（2）根据并行电法数据处理结果圈定的低阻异常区，打钻进行了一一验证，共计施工钻孔13 个，其中1#顶板异常区验证钻孔无明显出水，2#～4#底板异常区内的所有钻孔均有水涌出。通过对低阻异常区内的钻探验证情况可以看出，网络并行电法圈定的低阻异常区准确。

（3）14#、15#钻孔为非异常区验证孔，即选取了底板高阻区域施工了2 处钻孔，终孔层位位于底板砂岩，经验证该2 处钻孔未出水，再次证明了网络并行电法探查的准确性。

综合分析，网络并行电法是基于高密度电法勘探而发展起来的一项新技术，其数据采集具有多次叠加、多种组合的优势。在金桥煤矿4303 工作面进行了实际操作，对数据进行分析处理后，圈定了低阻异常区，通过钻孔对低阻异常区进行了一一验证，并选取一处高阻区域钻探印证，证明了低阻异常区圈定准确、方法可行。