直流电法技术在焦作煤矿防治水方面的应用
直流电法技术在焦作煤矿防治水方面的应用
焦作煤业（集团）有限责任公司 地测处 郭纯 李文军 邢文平
摘要：介绍了井下直流电法技术在焦作煤矿的防治水多个方面的应用，如探测巷道掘进头前方断裂厂矿带、划分岩层贫富水区域、圈定工作面内易突水地段、评价工作面回采时的水害安全性、确定放水孔位置等，对直流电法的特点和应用中需注意的问题作了归纳。
焦作矿区是僵有名的大水矿区，矿井水压高、补给丰富，水文地质条件极为复杂，曾发生17次突水淹井事故，造成了经济损失。近年来随着开采深度的延深，水害对矿井生产的威胁日益加大。为此，除了驾驶水文地质预测预报及井下钻探工作儿，我公司大力开展了物探技术的推广与应用，将防爆直流电法仪应用于水害防治的多个领域，取得了显著的生产效果。焦煤（集团）公司已明文规定：所有顶层工作面必须进行电法勘探以确定回采水害安全性，否则不能进行回采作业。
1 直流电法技术的原理
直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场拭目以待颁规律，从而确定岩、矿体物性（如贫、富水区域）的颁规律或地质构造（如断层、裂隙发育区）的特征。
2 直流电法技术的工作方法
根据探测目的不同，直流电法工作装置形式有多咱。井下通常应用对称四极测深装置、三极测深装置和单极偶极装置。
2.1 对称四极测深装置
工作布置方式为A-M-O-N----B，即以 O 点为中心，两边对称布置A、M、N、B四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。
2.2 三极测深装置
工作布置方式为A---M—O—N----B（*）。即以 O点为中心，两边对称布置M]N两个电极，A、M、N三极由近及远逐步移动，B极位于无穷远处。
上述两种装置中A、B、均为供电电极，用于向岩层供电；M、N均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同地步、不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。
2.3单极偶极装置
主要用于巷道掘导师头超前探测，采用的工作布置方式为A1-----A2-----A3-----M-N-------B（#）， 基本A1、A2、A3、和B极为供电电极，位置固定不动（A1位于掘进头处），用于向岩层供电，B极位于无穷远处；M、N为测量电极，沿巷道移动探测地电场电压。井下采集的原始探测数据，经专用软件根据镜象工作原理处理后得到A1、A2、A3三条结果曲线的相似性进行对比并结合各供电电极的相对位置关系进行分析（即：掘井头正前方的低阻异常区在各条结果曲线上的位置反映关系应该与相应供电电极的位置关系具有一致性），即可得出物探结论。直流电法一般供电极距越长，供电电场颁范围越广，探测深度和两边辐射范围越大。
3 直流电法技术拭目以待优点和用途
直流电法技术具有理论成熟、方法灵活、仪器简便、抗干扰能力强的优点，可用于探测巷道掘进头前方断裂破碎带和富水区（体）范围、查找巷道周围隐伏构造破碎带位置、划分顶底板岩层贫富水区域、确定放水孔位置及工作面回采时的易突水地段、评价工作面回采时的水害安全性等。
4 实例分析
4。1 超前探测巷道掘进头前方断裂破碎带
演马矿-200流水巷掘进过程中，我们用单极偶极装置对掘进头连续进行跟踪式超前8月6日探测时发现掘进头前方20.5~26.0m段存在一个团总支 为明显的低阻异常段（图1），物探判断为断裂破碎带。布置钻机打钻探验，钻机进尺21.0m处探到断层，证实了预测结果。
4.2 探测巷道周围构造破碎带位置、划分贫富水区域，圈定工作面内易突水地段、评价工作面回采时的水害安全性
图2为韩王矿25051工作面上风道直流电法（四极测深装置）探测水文断面（ST）图，图中等值线值为各点赋水性值（ST值由视电阻率值换算得来，此值越小赋水性相对越强）。物探结论为：切眼往外0~120段为低阻异常区（阴影区），异常极值为-70，导高较大，在工作面回采时伴随矿压来临，此段极易引起底板突水，建议矿上保持水沟畅通并配备足够的排水能力。实际回采时，当工作面推进到切眼往外32处发生底板突水，水量最大为660m3/h，最后稳定在540m3/h。由于提前采取了预防措施，未造成大的灾害。
图3为朱村矿0371工作面下风道直流电法（四极测深装置）探测水文断面（ST）图。物探结论为：切眼往外0~70m段为上下贯通状低阻异常区（阴影区），异常极值-80，回采时底板极易突水。我们及时向矿上通报了险情。该工作面回采时在切眼往久58m处发生底板突水，平均水量达350m/h，因矿上排水设备出故障造成该面被淹。后经地面打钻注浆封堵，一年后才得以回采。
图４为古汉山矿11011工作面上风道直流电法（三极测深装置）探测水文断面（ST）图。该面是古汉山矿投产后鳘个工作间面，北与辉县市吴村煤矿接攘，二者以断距20-50m的小凤凹断层为界。吴村煤矿内紧邻的工作面曾发生特大奥灰突水事故造成一个采区被淹。为判断11011工作面回采的安全性，我们重复进行了三次直流电法勘探，结论完全一致：上风道切眼往外40-210m段为低阻异常区（阴影区），异常极值-60，导高较大，回采时此段底板极易突水，且水源可能与下伏二灰及奥灰导通（此外水压较高）。我们将这一情况及时汇报，集团公司领导研究后采纳了物探建议，决定放放弃里段，于220m处重开切眼往外回采。现该面已按新方案安全回采。
图5为位村矿14061工作面下风道直流电法（四极测深装置）探测水文断面（ST）图， 图中阴影区代表低阻区，可以看出低阻区基本位于L8灰岩顶界面以下、导高较小，距巷道底板较远，物探结论为：此工作面回采时底板不会突水。实际回采非常顺利。
4.3 确定放水孔位置
图6为九里山矿14021工作面下风道直流电法（四极测深装置）探测水文断面（ST）图。该面位于九里山矿西翼，水文地质条件复杂，为保障该面的安全回采，需提前打放水孔进行疏水降压。由图中看出，低阻异常区（阴影区）位于切眼往外0—110m、220—270m、和380—400m三段，根据物探结论，在30m和390m两处布置了放水孔，两孔出水量分别为78m3/h和39m3/h。
5 井下直流电法技术应用中需注意的几个个问题
多年来，我们利用防爆直流电法仪在公司所属九个生产矿井进行了120多个工作面（巷道）的探测，所得物探结论绝大多数已得到巷道掘进和工作面回采的证实，探测准确率在83%以上。在长期的探测实践中，我们觉得有如下几个问题需注意。
5.1 装置形式
单极偶极装置仅实用于巷道掘进头超前探测。
四极和三极测深装置应用较为广泛。二者比较。四极测深装置采集到的信号更强、信噪比更高，探测曲线的异常形态更为简单、易解释；三极测深装置所需人员较少、井下布置更为方便，特别适于较短巷道内施工。实际探测时应根据探测目的和施工条件甄别选用。
5.2 资料处理与解释方法
井下直流电法距目标体较近，放线极距较短，常采用间隔较小的算术坐标进行数据采集和资料处理与解释。
井下巷道非煤巷即岩巷，电极极化现象一般不明显，但因煤、岩层的硬与脆，电极接地条件往往不好。接地电阻较大造成井下探测曲线贺滑性往往比地面差，解释时不宜进行单支曲线反演，更宜用断面图进行总体解释。尤其是利用专用软件择采集到的视电阻率数据进行平滑消畸、突出异常处理得到的水文断面（ST）图的解释效果比视电阻率断面图更为直观、目标体或异常区更为突出，实际验证效果更好。
5.3 干扰及应对办法
井下直流电法探测的干扰主要来自四个方面：
一是存在铁轨、皮带架、刮板机、工钢、矿车、扒矸机等金属干扰物和水沟等边疆低阻体；完整是巷道底板干湿不匀、局部地区存在积水段；三是巷道底板过分干燥引起的接地电阻过大；四是线路漏电影响。
实践发现井下电器产生的电磁场影响往往可以忽略。对金属干扰物和边疆低阻体轵要让电极尽量远离或均匀保持一定距离即可。在巷道底板干湿不匀区段，应尽保持M、N极间物性均匀。巷道底板过分干燥地段，注意把电极打深打牢，必要时往电极孔中加入盐水、塞入黄泥，或横向易位再打。要经常检查电线绝缘，避免线路漏电。
干扰成为影响探测效果和准确性的主要甚至是决定性因素，井下施工时要认真负责、不怕辛苦，使采集到的数据尽可能真实、合理。
5.4 体积效应问题
井下直流电法勘探属于全空间范畴，其体积效应比起地面电法更加明显，资料解释时对异常区（体）具体文件和来源的判断更加困难，这就需要尽可能与瞬变电磁等方向性较强的物探技术相配合，并紧密结合水文地质资料，多种手段并用、相互取长补短，尽可能作出合理准确的解释。
总之，井下直流电法探测技术理论成熟、方法多样、使用灵活，实用性及经验性都很强，需要我们在实践中不断总结，把握规律，才能更好服务于煤矿的防治水工作。（结束）
摘自：《焦煤科技》 2005年第2期
作者简介：郭纯，男，河南新乡人，物探工程师，1991年毕业于中国矿业大学测物系勘察地球物理专业，现任焦作煤业（集团）有限责任公司地测处物探科科长
