张浩楠

（乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307）

0 引言

顶板水害一直是制约煤矿安全生产的重大灾害之一，纳林河二号井的主要水害威胁为顶板河流相沉积砂岩含水层，对矿井安全生产影响较大。正常情况下，煤系地层在横向与纵向上的物性变化都有规律可循。当有构造发育时，一方面会出现层位错动，另一方面是裂隙充水，即局部出现明显的含导水构造。由于矿井裂隙水的导电性好，使含导水构造在电性上表现出与围岩较大的差异，从而打破了原始地层电性在纵向与横向上的变化规律。这些变化为以导电性差异为应用基础的电磁法探测技术提供了良好的物性前提。

目前国内外针对工作面隐蔽突水致灾源探查的方法主要有直流电法以及音频电透视法等，电磁类方法主要根据煤层及工作面顶底板岩层电学性质差异进行探测。直流电法勘探受井下空间限制，探测深度一般在100m以内，矿井瞬变电磁法探测的有效深度一般不超过110m，因此对工作面宽度大于250m的超宽工作面顶板含水层富水性异常的探测主要采用以透视为主的物探方法。音频电透视法也是直流电法的分枝，其特点为对低阻异常体反映灵敏、信息采集量大和探测距离远、变频可控、施工效率高。音频电穿透能够探测到工作面煤层内部及工作面顶底板一定范围内岩层的隐蔽导水构造及富水性异常区，最大探测深度320m。

该文以乌审旗蒙大矿业有限责任公司纳林河二号矿井31116工作面顶板音频电透视为例，加以钻探结果验证，证明音频电透视法对顶板富水性探测具有很好的效果，更能适应复杂地质条件下的探测需求。

1 超宽工作面顶板富水性探测重点与难点

31116工作面设计走向长1900m，面宽301m（属于超宽工作面）。据31116工作面平面位置与勘探钻孔之间的距离，取MD43、NL14、MD09、NL24、MD13钻孔资料进行统计。据相邻工作面导水裂缝带高度探测结果分析，该面采后直接充水含水层主要为3-1与2-1煤层之间的延安组三段含水层和2-1上煤层顶板直罗组一段含水层。从图1可以看出3-1煤与2-1煤层之间延安组三段含水层和2-1煤顶板直罗组一段含水层分布不连续，对比性差，且在NL24钻孔以南区段钻孔未见砂岩含水层，说明该区段砂岩分布不稳定，且主要呈透镜体展布特征。

图1 31116工作面顶板煤岩对比图

由于燕山运动的影响，地层整体被抬升，将延安组三段部分剥蚀。直罗组沉积时期区域内主要发育为河流相沉积，尤其以曲流河为主，底部发育辫状河，向上变为曲流河沉积。多种复杂沉积相作用造成工作面顶板覆岩多沉积旋回，岩层槽状交错、平行、冲刷面等层理较为发育，导致岩层间不整合接触带较为发育。复杂沉积环境相应造就了复杂的岩相古地貌，同样导致了工作面顶板覆岩结构的复杂性，也导致了不同岩层富水性的复杂性和同一岩层富水性的不均一性。为了查明砂岩含水层分布特征，为顶板水防治提供科学依据，该文进行了含水层沉积相与富水性特征研究。工作面顶板砂岩含水层分布具有以下特征：沉积相控制砂体的分布及其特征；首采工作面顶板含水层（特别是直罗组下段含水层）存在“水压高、水量大、分布广泛”的特点；含水层富水性存在明显的条带性和可疏放性。

3-1煤顶板岩层水文地质条件的复杂、不均一使31116超宽工作面顶板疏放水难度大。因此，选用音频电透视方法对3-1煤顶板含水层富水特征进行快速、有效的探测和圈定，从而对工作面顶板富水区进行重点防治。

2 施工方法与技术

超宽工作面音频电透视法是在回风顺槽和运输巷同时作业，工作方式和无线电波透视法类似，通过在工作面一侧激发低频电磁波波场，在工作面另一侧对煤层顶底板不同区域和位置的电位差进行测量，取得不同路径范围内电磁场衰减的差异，通过资料处理反演拟合，计算出工作面内顶底板一定深度范围内的视电阻率，进行平面或三维成像的一种物探方法。在超宽工作面内以发射点为中心，对工作面内部及顶、底板进行扇形扫描，以此获取巷道间工作面内及顶、底板中的电场分布规律，达到探测工作面顶板含水层富水性及导水构造异常的目的，如图2所示。

图2 超宽工作面音频电透视扇形扫面方式

为了提高超宽工作面探测区域的覆盖次数，该次施工选用每50m一个发射点、每10m一个接收点的施工方式，在回风顺槽和运输巷各布置发射点39个（A1、A3…A39），接收点191个（M1、M2…M191）。1个点发射，21个点接收。施工顺序为从回风顺槽发射，运输巷接收；从运输巷发射，回风顺槽接收，均由从切眼位置向外顺序观测。该次施工超宽工作面长度为1900m，探测区域为0m～120m。布置音频电透视检查点100个，质量检测工作量占总工作量的6.1%，符合物探施工规范5%的要求。

为了保证该次超宽工作面音频电透视法探测结果的可靠性，该次施工先对原始数据进行了畸变点剔除和供电电流强度归一化等预处理；为消除供电电极、测量电极系统装置形式对探测结果的影响，对探测数据进行了全空间视电阻率计算；为突出供电电极和测量电极间不同深度电性异常体的地电响应特征，进行了按测量电极偏移距抽道集处理。

音频电透视资料处理的关键是正确配置各接收点和发射点空间属性参数，这是视电阻率计算、抽取道集和电阻率成像的重要基础。该次31116超宽工作面施工数据处理采用两种方法：人工交汇法和CT成像法，同时将相关地质资料和音频电透视法探测成果进行综合运用，对富水异常区和隐蔽含导水裂隙带等隐蔽致灾因素进行三维可视化建模，得到工作面顶板富水异常区位置的三维模型，直观地显示出富水异常区在横向和垂向上分布情况，为指导煤矿防治水钻孔施工提供直观可靠的资料。

3 矿井音频电透视成果分析

音频电透视的二维平面图仅显示顶板富水区的平面展布和分布区域，无法在垂向上显示富水异常区范围，给煤矿防治水设计造成了困难。而将三维反演应用到音频电透视法数据处理与资料解释中，实现了工作面顶板富水区分布位置的精细探测，为顶板防治水设计提供了重要依据。

综合31116超宽工作面音频电穿透异常特征，并结合疏放水钻孔资料及水文地质资料，得出的对各异常区性质的分析如下：在31116超宽工作面顶板发现5处富水异常区域，从回撤通道向切眼方向标号依次为1、2、3、4、5（如图3所示）。其中1号富水性异常在31116工作面顶板上45m～110m发育，范围较小，为相对富水性弱异常，推断1号异常区主要为2-1煤顶板细砂岩含水层和直罗组底部含水层富水性增强所致；2号主要分布在工作面顶板上60m～120m，富水集中区域在运输巷顶板上方120m范围，整体富水性幅值为中等，推断2号异常区主要为直罗组底部砂岩含水层局部富水性增强所致；3号富水性异常主要分布在顶板上方65m～115m，范围较小，分布比较分散，整体富水性幅值比较弱，推断3号异常区主要为2-1煤顶板细砂岩含水层和直罗组底部砂岩含水层局部富水性增强所致；4号异常区主要分布在顶板上70m～120m，分布范围较小，异常呈条带状分布，富水性幅值相对较强，推断4号异常区主要为直罗组底部砂岩含水层局部厚度变厚、富水性增强所致；5号异常区主要分布在顶板上30m～120m，分布范围比较大，异常呈条带状分布明显，富水性异常幅值为中等，推断5号异常区主要为3-1煤顶板细砂岩含水层和2-1煤顶板细砂岩含水层厚度增厚、富水性增强，直罗组底部砂岩含水层富水性增强共同所致。

图3 31116超宽工作面顶板含水层富水性异常三维模型图

该次顶板探测施工期间及施工结束后，矿方在31116工作面两顺槽内进行了疏放水钻孔施工，根据终孔水涌水量、钻孔终孔水压和音频电透视探测异常区的对应关系，如图4所示，在1250m～1920m附近，终孔涌水量均大于10m3/h，特别是5号异常区附近终孔最大涌水量达到16.6m3/h。在4号和5号异常区附近，终孔涌水量出现2个峰值。如图5所示，钻孔终孔水压为1.2MPa～3.3MPa，平均水压力为1.77MPa。通过图4可以看出，整个工作面顶板同样存在2处主要的高水压区。

图4 31116工作面顶板物探异常区与疏放水钻孔终孔涌水量分布对比

图5 31116工作面顶板物探异常区与疏放水钻孔终孔水压分布对比图

①号高水压区：该范围对应前面所分析的4号异常区。①号高水压区内钻孔终孔压力均达到1.8MPa，最高钻孔终孔水压可达到2.0MPa。

②号高水压区：该范围对应前面所分析的5号异常区。②号高水压区内钻孔终孔压力多数达到1.8MPa，最高钻孔终孔水压可达到3.3MPa。

综合对比终孔水量、水压和物探异常区的分布对应关系，发现在物探重点异常区（4号和5号异常区）附近，终孔水量、水压均较大。物探结果与31116工作面顶板含水层富水性分布趋势相吻合。证明该次31116超宽工作面音频电透视探测顶板富水异常区结果可靠。

4 结论

该文通过对31116超宽工作面顶板砂岩含水层富水性的探测研究，验证了物探成果与疏放水钻孔的终孔涌水量、水压高度吻合，证明音频电透视法对工作面宽度大于250m的超宽工作面富水性探测具有非常高的可靠性。

该文采用三维反演建模方法对31116工作面物探数据进行分析，得到了工作面顶板含水层富水区、物探异常区水压的三维模型，达到了对顶板疏放水钻孔设计进行优化、准确疏放含水层水、有效指导顶板含水层治理的目的。