吳記軍

（安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

礦井水害是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，針對(duì)已經(jīng)發(fā)生底板出水的情況，如何準(zhǔn)確查明水害源及導(dǎo)水通道仍是當(dāng)前面臨的重要難題。目前礦井電磁法是進(jìn)行水害探測(cè)的有效物探方法[1]，由于水源導(dǎo)水通道一般體積較小，且單一物探方法具有一定的局限性，采用單一物探方法無(wú)法對(duì)底板導(dǎo)水通道進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)[2]，因此，基于電法和瞬變電磁探測(cè)技術(shù)方法的特點(diǎn)，本文針對(duì)巷道迎頭出水情況，將兩種物探方法相結(jié)合[3，4]，首先采用瞬變電磁和電測(cè)深探測(cè)技術(shù)對(duì)巷道迎頭前方及巷道底板下方區(qū)域進(jìn)行綜合探測(cè)，以查明富水異常區(qū)，然后利用極化率法對(duì)巷道底板進(jìn)行探測(cè)，由于查明巖層及水害源的極化率差異，從而形成對(duì)巷道底板導(dǎo)水通道的精準(zhǔn)探測(cè)。

1 探測(cè)原理

1.1 礦井瞬變電磁探測(cè)原理

瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)方法，在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次磁場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。

1.2 電測(cè)深法基本原理

電測(cè)深法的電阻率法全稱為“垂向電阻率測(cè)深法”。它用逐步改變供電電極距大小的辦法來(lái)控制勘探深度，由淺入深，了解一個(gè)測(cè)點(diǎn)地下介質(zhì)電阻率的垂向變化。

本文采用網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，網(wǎng)絡(luò)并行電法為直流電阻率法的一種，是在高密度電法勘探基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。通過(guò)供電與測(cè)量的時(shí)序關(guān)系對(duì)自然場(chǎng)、一次場(chǎng)、二次場(chǎng)電壓數(shù)據(jù)及電流數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采樣，采樣過(guò)程沒(méi)有空閑電極出現(xiàn)。智能電極與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了并行電法勘探，完全類似于地震勘探的數(shù)據(jù)采集功能，從而大大提高了電法數(shù)據(jù)的采集效率和數(shù)據(jù)量。它既具有集電測(cè)深和電剖面法集于一體的多裝置、多極距的高密度組合功能，同時(shí)還具有多次覆蓋疊加的優(yōu)勢(shì)。

1.3 直流電場(chǎng)的激發(fā)極化法

電流流過(guò)金屬礦等電子導(dǎo)電顆粒和圍巖溶液時(shí)，由于電化學(xué)的作用，在界面處產(chǎn)生超電壓引起激發(fā)極化效應(yīng)。在直流脈沖的激發(fā)下，可以根據(jù)電場(chǎng)隨時(shí)間的變化來(lái)研究不同巖礦石的激發(fā)極化效應(yīng)。

在時(shí)間域激電中，當(dāng)儀器采用長(zhǎng)脈沖形式供電時(shí)，通常以極化率的參數(shù)來(lái)表征極化介質(zhì)的激電性質(zhì)，η（T，t）值的計(jì)算公式為：

圖2 瞬變電磁探測(cè)橫向剖面成果圖

式中?U2（T，t）是供電時(shí)間為T(mén)和斷電后t時(shí)刻測(cè)得的二次電位差。

2 探測(cè)實(shí)例分析

2.1 地質(zhì)概況

某礦-735m軌道二石門(mén)巷道在掘進(jìn)過(guò)程中迎頭底板出水，經(jīng)水樣化驗(yàn)得知其內(nèi)部含灰?guī)r水。出水后礦方在迎頭出水位置附近進(jìn)行了注漿加固、封堵。軌道二石門(mén)巷道在BF33-1斷層至BF33斷層之間的施工過(guò)程中，由于斷層影響，造成此段巷道底板距太原組灰?guī)r最短距離僅13m左右，巷道剖面圖見(jiàn)圖1所示，因此灰?guī)r水也是巷道安全掘進(jìn)的一大威脅，為保障后期巷道的安全性，決定采用物探方法對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行探查，為后期導(dǎo)水通道的注漿封堵提供依據(jù)。

圖1 探測(cè)區(qū)巷道剖面圖

2.2 測(cè)線布置

2.2.1 瞬變電磁法探測(cè)

瞬變電磁超前探測(cè)按照扇形觀測(cè)系統(tǒng)布置，以巷道迎頭為中心點(diǎn)布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)施瞬變電磁數(shù)據(jù)采集，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處觀測(cè)6個(gè)方向，分別為頂板30°、掘進(jìn)方向、底板15°、底板30°、底板45°和底板60°。

2.2.2 并行電法探測(cè)

本次并行電法超前探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)布置依據(jù)實(shí)際掘進(jìn)巷道周邊地形條件，并行電法測(cè)線布置時(shí)以巷道迎頭位置為1號(hào)電極點(diǎn)，以電極距3m向迎頭后方布置，共布置電極101個(gè)，布置測(cè)線總長(zhǎng)約為300m?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集采用AM法，分別采用0.1s、0.5s和2s的恒流供電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。

2.3 探測(cè)成果分析

2.3.1 瞬變電磁超前探測(cè)

根據(jù)巷道迎頭前方的瞬變電磁超前探測(cè)成果可以看出迎頭前方探測(cè)區(qū)域整體視電阻率值較高，等值線變化相對(duì)平緩，探測(cè)區(qū)域內(nèi)富水性較弱，表明迎頭位置出水的水源來(lái)自于巷道迎頭后方底板區(qū)域。

2.3.2 并行電法探測(cè)

巷道底板三極電測(cè)深探測(cè)成果圖見(jiàn)圖3所示，得出3處視電阻率值相對(duì)較低區(qū)域分別為CS1、CS2和CS3，分析其相對(duì)富水，其中CS1位于灰?guī)r層位，CS2位于斷層BF33附近，CS3位于砂巖層位。

圖3 電測(cè)深探測(cè)成果圖

根據(jù)并行電法探測(cè)時(shí)不同的供電時(shí)間數(shù)據(jù)，分別選取0.1s和2s恒流時(shí)間的電位數(shù)據(jù)，得出底板探測(cè)區(qū)域內(nèi)的極化率分布成果圖（圖4），得出兩處高極化率的異常區(qū)域JH1和JH2。表明該異常區(qū)域跟圍巖相比導(dǎo)電性更好。

圖4 極化率探測(cè)成果圖

綜合電測(cè)深和極化率探測(cè)成果，可以看出，JH1與CS1異常區(qū)位置基本吻合，JH2與CS3異常區(qū)位置基本吻合，表明該異常區(qū)域與圍巖相比導(dǎo)電性更好，分析結(jié)果相對(duì)為富水且水的礦化度較高，為灰?guī)r水反應(yīng)。

2.3.3 導(dǎo)水通道分析

根據(jù)巷道迎頭位置出水情況，結(jié)合測(cè)深成果圖中的相對(duì)低阻異常區(qū)形態(tài)，可以推斷出迎頭位置出水的疑似導(dǎo)水通道，見(jiàn)圖3中洋紅色實(shí)線標(biāo)識(shí)，迎頭位置出水點(diǎn)的灰?guī)r水水源來(lái)自于CS1異常區(qū)，該異常區(qū)表現(xiàn)為高極化率，為灰?guī)r水的高礦化度反應(yīng)，經(jīng)巖層裂隙運(yùn)移至CS3異常區(qū)位置，進(jìn)而沿裂隙繼續(xù)向上運(yùn)移至迎頭位置處，由于迎頭出水位置及底板下方位置已進(jìn)行完注漿封堵，導(dǎo)致靠近迎頭下方區(qū)域位置呈現(xiàn)為高電阻率分布。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)瞬變電磁法超前探測(cè)，迎頭前方探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯低阻異常區(qū)存在，排除了水源來(lái)自迎頭前方區(qū)域的可能。

（2）在巷道后方進(jìn)行底板電測(cè)深和極化率探測(cè)，得出了明顯的低阻高極化異常區(qū)，根據(jù)水源的判斷實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道底板導(dǎo)水通道的有效探測(cè)。

（3）采用多種物探方法相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，做到了統(tǒng)籌優(yōu)勢(shì)、互為補(bǔ)充，彌補(bǔ)了單一物探方法的劣勢(shì)，更好的實(shí)現(xiàn)了水害源及導(dǎo)水通道的精細(xì)探查。