郭玉成

（山東能源魯西礦業(yè)單縣能源陳蠻莊煤礦，山東 菏澤 274300）

底板突水嚴(yán)重制約著煤礦的安全開采。為保證煤礦的安全開采，探測煤礦工作面底板巖層富水情況便顯得尤為重要。三維直流電法是在工作面周圍鋪設(shè)電極和電纜，然后采用AMN 和MNB 三極裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接下來對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到工作面底板三維數(shù)據(jù)體，最后結(jié)合水文地質(zhì)條件，圈定底板巖層低阻異常區(qū)。本文以陳蠻莊煤礦3602 工作面為背景開展研究，利用基于三極AMN與MNB 裝置的三維直流電法探查工作面底板富水情況，為礦井防治水工作提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

1.1 工作面概況

陳蠻莊煤礦3602 工作面地面位于后石莊村以北，劉店池村以南，地面大部分為農(nóng)田，周邊無河流水渠。3602 工作面為3600 采區(qū)西翼近3 煤層露頭工作面，該工作面井下位于3600 膠帶上山、3600 軌道上山以西，3604 工作面以南，DF15 斷層（落差0～20 m）保護(hù)煤柱東南，井田邊界保護(hù)煤柱及3 煤層露頭保護(hù)煤柱以北。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)礦方提供《山東省單縣煤田陳蠻莊煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》中水文地質(zhì)資料以及揭露鉆孔后得到的地層柱狀圖可知，井田地層由老到新分別為奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系和第四系。

礦井含水層自上而下主要有新生界松散層孔隙含水層（組）、二疊系山西組3 煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層、太原組三灰、十下灰、十一灰?guī)r溶裂隙含水層以及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

礦井內(nèi)隔水層主要有新生界松散層隔水層（組）、二疊系石盒子群隔水層（組）、3 煤層至三灰間隔水層（組）及17 煤層底板至奧灰間隔水層（組）。其中煤層底板至奧灰間隔水層礦井內(nèi)7孔穿透，厚度43 m 左右，巖性主要是泥巖、粉砂巖及薄層灰?guī)r，正常情況下能起到良好的隔水作用，但局部受斷層影響而導(dǎo)致間距縮短，隔水層變薄，致使開采下組煤時奧灰水底鼓突水，對采煤構(gòu)成威脅，是在礦井防治水工作中需要注意的地方。

2 三維直流電法布置

2.1 基本原理

基于煤層與巖石的電阻率之間存在的差異，三維直流電法通過采取合適的測量裝置，在所給定的穩(wěn)恒電流場下，得出直流電場在地下空間中的分布及變化的趨勢。通過研究地下空間視電阻率的大小及變化規(guī)律推斷地下空間分布情況，最后達(dá)到測深、找水、找礦和解決其他地質(zhì)問題的目的[1]。

2.2 施工設(shè)計

三維直流電法測量電極沿3602 工作面環(huán)形布設(shè)，其位置始于導(dǎo)線點(diǎn)S9 附近，止于導(dǎo)線點(diǎn)E13附近，共布設(shè)電極79 個，軌道順槽、膠運(yùn)順槽分別布設(shè)電極21 個、42 個，切眼位置施工16 個電極。每60 根電極設(shè)置1 測量站，共計實(shí)施2 站。具體如圖1。

圖1 3602 工作面三維直流電法布置圖

2.3 工作方法技術(shù)

本次三維直流電法采用三極AMN 與MNB 裝置[2]（圖2），該裝置記錄點(diǎn)為MN 中點(diǎn)，測量斷面為矩形。該裝置具有采集數(shù)據(jù)點(diǎn)多，探測深度大，在深度方向上相比四級裝置AMNB 分辨率更高，電阻率的橫向變化對數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量影響小，更為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 三極（MNB、AMN）觀測示意圖

具體工作方法為：

1）按照設(shè)計點(diǎn)位將電極布設(shè)在巷道中，點(diǎn)距10 m，并在巷道一幫噴寫電極號。為減小接地電阻，電極埋設(shè)密實(shí)而無虛接，入地層深度不小于三分之二電極長度。

2）布設(shè)無窮遠(yuǎn)極。為了消除非無窮遠(yuǎn)極距情況下無窮遠(yuǎn)電極對采集數(shù)據(jù)的影響，需要滿足無窮遠(yuǎn)極距測線距離至少大于等于5 倍AO 或BO 距[3]（AO 為供電電極A 與測量電極MN 中點(diǎn)的距離，BO 為供電電極B 與測量電極MN 中點(diǎn)的距離）。

3）利用RS232 連接主機(jī)與轉(zhuǎn)換器，用導(dǎo)線連接A、M、N、B 四個接線柱，最后接通外高壓電源。

4）開機(jī)檢查各電極接地電阻，對接地電阻較大的電極，選擇澆水或更換位置。

5）電極處理完成后，設(shè)置斷面號、剖面層數(shù)（28層）、滾動數(shù)（28 個）等參數(shù)開始測量。

3 結(jié)果分析驗(yàn)證

經(jīng)過三維直流電法反演處理后導(dǎo)出反演數(shù)據(jù)，利用三維可視化軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖處理，繪制三維數(shù)據(jù)體，得到頂?shù)装宀煌较虻那衅瑘D。在繪制三維數(shù)據(jù)體之前，本文首先統(tǒng)一坐標(biāo)系，經(jīng)第79電極位置向軌道順槽做垂線，交點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，經(jīng)坐標(biāo)原點(diǎn)的軌道順槽方向?yàn)閄 軸的正方向，由軌道順槽到膠運(yùn)順槽切眼巷道的方向?yàn)閅 軸的正方向，垂直頂板方向?yàn)閆軸的正方向。坐標(biāo)系統(tǒng)確定后，本文繪制了3602 工作面三維數(shù)據(jù)體，并基于電阻率變化及范圍的大小來確定工作面內(nèi)異常區(qū)的分布情況。

本文圖中電阻率的大小通過圖片灰度的深淺來進(jìn)行區(qū)分，以便得到更加清楚直觀的分布情況圖。圖中電阻率低于20 Ω.m 的區(qū)域定義為低阻異常區(qū)（利用對數(shù)形式表示為電阻率對數(shù)值小于1.2 的區(qū)域，即圖中灰度較深的區(qū)域）。通過圖3 的3602工作面底板巖層視電阻率數(shù)據(jù)體可獲取3602 工作面底板巖層視電阻率數(shù)據(jù)體具體分布情況。為了更加直觀地體現(xiàn)異常體的分布，將電阻率低于20 Ω.m的區(qū)域單獨(dú)顯示繪制，得到3602 工作面底板視電阻率低阻異常體分布圖，如圖4。

圖3 3602 工作面底板巖層視電阻率數(shù)據(jù)體

圖4 3602 工作面底板視電阻率低阻異常體分布圖

結(jié)合在不同的剖面下所得的底板視電阻率剖面圖可以確定以下異常區(qū)位置：在X 方向120～220 m、Y 方向0～30 m、深度30～70 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻異常區(qū)；X 方向290～420 m、Y 方向0～30 m、深度10～60 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻異常區(qū)；X 方向300～360 m、Y 方向0～30 m、深度10～50 m 出現(xiàn)低阻區(qū)；在X 方向390～420 m、Y 方向0～100 m、深度10～90 m范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻區(qū)?？赏茢嘁陨系妥鑵^(qū)巖層內(nèi)含水多，導(dǎo)電能力強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。

結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)、水文資料、鉆探資料及圖3、圖4，根據(jù)電阻率大小和空間展布規(guī)律，繪制了3602 工作面低阻異常區(qū)分布圖如圖5。

圖5 3602 工作面低阻異常區(qū)分布圖

由圖5 可知，利用三維直流電法探測圈定了4個低阻異常區(qū)，其中YC1 主要分布在軌道順槽中300～350 m、Y 方向0～30 m、深度為30 m 范圍內(nèi)；低阻異常區(qū)YC2 主要分布在X 方向390～420 m、Y 方向0～100 m、深度0～90 m 范圍內(nèi)；低阻異常區(qū)YC3 主要分布在膠運(yùn)順槽X 方向300～400 m、Y 方向140～170 m 范圍內(nèi)；低阻異常區(qū)YC4 主要位于膠運(yùn)順槽X 方向120～220 m、Y 方向150～190 m、深度20～70 m 范圍內(nèi)。可推斷以上區(qū)域由于受到DF19 斷層的影響，造成局部區(qū)域內(nèi)巖層含水量大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，從而呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。

通過三維直流電法進(jìn)行探測后，有針對性地對圈定異常區(qū)位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。在對異常區(qū)YC1 的鉆孔驗(yàn)證中，通過揭露鉆孔發(fā)現(xiàn)該區(qū)域富水性強(qiáng)，揭露鉆孔出水處涌水量為6 m3/h，鉆孔驗(yàn)證情況與探查情況相吻合。

4 結(jié)論

三維直流電法探測技術(shù)可以有效地探查工作面底板富水情況，利用電阻率三維可視化軟件可以圈定低阻異常區(qū)的位置，并通過鉆探驗(yàn)證了該低阻異常區(qū)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步說明了三維直流電法探測技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。