直流电法仪与瑞利波探测仪在官地矿水文地质预测预报中的应用
编写单位：官地矿地测科
作者：张忠明（科级）、闫成立（副科级）、杨新武（助理工程师）、贾杨（技术员）、史海江（实习技术员）
摘要：阐述了直流电法仪与瑞利波探测仪在煤矿井下水文地质预测预报的基本原理、数据处理及解释方法，介绍了直流电法仪三级超前探测与及瑞利波超前探测的布置的方法，并根据官地矿16407工作面西八顺槽陷落柱探测结果，对前方构造验证，提出了保证矿井安全生产的对策措施。

关键词：直流电法仪；瑞利波探测仪；超前探测；水文地质；预测预报。

随着我国煤炭工业的快速发展，各矿区开采深度不断增加，开采过程中承担的水压越来越大，矿井水灾事故不断发生，轻则造成经济损失，重则造成重大的人员伤亡事故。

国家安全总局近期提出了“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的矿井防治水原则，为落实这一原则，采用物探手段在煤矿井下掘进工作面进行超前水文地质预测预报是目前重点研究的课题之一。

近年来有关这方面的研究成果取得了重大突破，其中直流电法和瞬变电磁法在井下水文地质预测预报中得到了广泛应用，尤其直流电法仪可以测试工作面前方介质的视电阻率，而含水介质的视电阻率变化较大，所测结果对分析前方水文地质状况能起到很好的作用。

但是由于井下机电设备较多，磁场复杂，测试过程中可能会产生杂散电流，影响测试结果。

如何采用正确方法，排除干扰，保证测试结果的准确性，我矿现阶段试用瑞利波与直流电法相互验证的方法来进行数据的分析。

16407工作面井下位于南四采区北翼，右侧为16405工作面（未采）、左侧及前方均为未采区，上部为12416、12418、22420、22424、23418工作面采空区，预计在采空区低洼处有采空积水。

3#~6#煤层层间距约为37.68m，在掘进过程中工作面多次揭露陷落柱，水文地
质条件相当复杂。

为防治重大水灾事故的发生，2009年12月对该矿的部分巷道采用直流电测法进行了三级超前探测与瑞利波超前探测，根据探测结果对其水文地质进行了预测预报，取得了良好的效果。

1、直流电法仪超前水文地质预测预报的基本原理
1.1 理论依据
一个点电源O在均匀介质中的电场形态为球形(见图1)，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。

用直流电法仪测得A、B两点的电位差，依公式可计算出介质的视电阻率。

在巷道中设A、B两极供电点，其中B点设在无穷远(>测量范围3倍以上)，就形成了以A点为中心稳定的球形电场。

设3个不同球形电场A1、A2、A3(见图2)进行测试，可以得到3组前方相切的介质的视电阻率，经过计算机处理，消除其他方向上的干扰，得到前方切点D处的视电阻率。

连续观测就得到工作面前方不同距离处介质的视电阻率变化曲线，含水地点的岩石视电阻率会大大降低，依视电阻率变化情况可以推测到工作面正前方水文地质是否有异常。

图1 点电源在均匀舟质中的电场形态
图2 3个不同电场观测示意图
1.2 直流电法仪工作原理
直流电法仪是工程隧道、井下巷道电法勘探仪器。

仪器由锂电池组、逆变声压、整流滤波、极性变换、单片机控制、A/D转换、显示、存储、通讯等电路组成。

其工作原理见图3。

图3 直流电法仪工作原理
电池输出的直流电压经逆变升压电路产生83V的高压，经整流滤波、极性变换电路输出，即通过A、B电极供入大地，建立稳定的人工电场；同时通过M、N电极接收大地的感应电压信号，经A/D 转换器转换成数字信号后送单片机控制电路，测量电压和供电电流。

经过计算存入存储器。

显示器用来显示参数和测量数据，存储器用于测量参数和测量数据的储存。

存储器中的数据通过RS232串行通讯口传送到PC机中，在PC机中完成数据的转换和成果图的绘制。

1-3 测点布置及分析
1-3-1测点布置
井下直流电法勘探通常为对称四极测深装置和三极测深装置。

对称四极测深装置和三极测深装置的应用较为广泛，二者特点互补，实际探测时应根据探测目的和施工条件选用。

由于此次超前探测的目的是对16407工作面西八顺槽掘进前方的陷落柱含水情况，所以采用三极测深布极法。

方法：在掘进工作面迎头布置供电极A1、A2、A3，间距4m，接收极M、N极间距
4m，在掘进工作面迎头后300m处布置B极作为无穷远极，距供电极A1，12m开始跑极，观测记录各点视电阻率t，然后在计算机上绘制A1、A2、A3点视电阻率曲线图。

以各条曲线上距A1供电点等距低阻点为依据，分别以A1、A2、A3点为圆心绘圆，三圆相交点即为前方低阻异常点。

本次物探布极A1布置在掘进工作面迎头位置14m。

详细测点布置见图4。

图4 测点布置图
1-3-2 结果分析
将井下采集的数据通过RS232串行通讯口传送到计算机中，在计算机中通过Sufer8完成数据的转换和成果图的绘制，详见图5。

图5 16407工作面西八顺槽直流电法超前探测结果
本次采用直流电法仪三极布极法，对巷道超前探测100m，共测得数据75组，其中可信数据73组，有效探测距离为80m。

图中用两种方式表达介质的视电阻率大小，一是视电阻率等值线；一是颜色深浅，颜色较浅部分表示视电阻率较低，颜色较深的部分表示视电阻率较高。

图像下方数字代表距巷道掘进工作面距离。

从图中可以看出：工作面前方10m左右为一低阻区，此区间岩石的视电阻率为35～45，比正常介质视电阻率低得多，可视为富水区；25m、60 m左右为一高阻区，此区间岩石的视电阻率为55～65，比正常介质的视电阻率要高，可视为破碎带，不含水；其余部分为正常段。

2、瑞利波探测仪超前水文地质预测预报的基本原理
2-1 理论依据
它是由震源产生一定带宽的脉冲，通过测线上相距震源不同距离的接收传感器，进行信号数据采集，利用FFT（快速付里叶变换）和频谱分析技术，通过相干函数的互功率谱相位展开谱，从而得到两个记录信号在不同频率下瑞利波在传播过程中由于时滞而产生的相位差，根据两路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。

由传感器各点布置的已知距离，可求得不同频率瑞利波的相速度，同时由此得到测点的瑞利波频散曲线。

图1
2-2 瑞利波探测仪工作原理
多道瑞利波的施工方法如上图所示。

在有六个接收点的情况下，我们视1和6为一对接收点，2和5为一对，3和4为一对，共有三对接收点，则据传统瞬态瑞利波勘探的原理，应当得到三条频散曲线，从图中我们可以看出，这三条频散曲线反映地下同一位置，也就是3和4接收点之间中心点位置的地下地质结构构造信息。

进而再将这三条曲线叠加成一条曲线。

图 2
2-3施工方法
瑞利波探测现场观测系统布置，根据探测地点条件的不同共提供两种施工方式，标准瑞利波观测系统主要是应用于煤矿进行巷道顶底板、侧帮探测，一次探测的观测系统需要有大约6米的距离。

观测系统中7个点(震源点以及6个接收点)其间距均为100cm，具体布置方法如下图所示。

图 3
2-4 结果分析
将井下采集的数据通过RS232串行通讯口传送到计算机中，在计算机中通过Sufer8完成数据的转换和成果图的绘制，详见图5。

探测地点：16407工作面西八顺槽
探测目的：超前探测目标体为陷落柱；
探测模式：迎头水平超前探测模式；
采样频率：4000Hz；
记录长度：2048；
叠加次数：5炮；
井下采集存储文件名：cck01011～cck01015 、cck01021～cck01025，2组数据。

井下瑞利波探测数据采集任务是在2006年8月9日完成，由于仪器CH2、CH5出现故障，数据采集质量较差。

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图5 16407工作面西八顺槽瑞利波超前探测结果图本次采用瑞利波超前探测方法，对巷道超前探测100m，共测得数据2组，其中可信数据2组，有效探测距离为80m。

图像中左侧数字代表距巷道掘进工作面距离，右侧数字代表异常位置。

从图中可以看出：工作面前方10.5m、26米、58米左右为异常区；与直流电法仪探测结果基本符合。

揭露验证：在掘进工作面前方10m处出现淋水，为陷落柱边缘，掘进工作面前方60m处出陷落柱，与探测结果完全吻合。

3、官地矿水文地质特点分析
通过对16407工作面西八顺槽直流电法与瑞利波超前探测，对官地矿的水文地质特点分析如下：上覆灰岩是我矿6#煤老顶的第一间接充水水源，由于灰岩厚度大，水量大，如果遇到构造切割，该
含水层就会直接涌入巷道，可造成重大的突水事故。

4、对策措施
(1)鉴于井田水文地质条件较为复杂，我矿必须坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，在今后的基本建设或生产过程中坚持超前水文地质预测预报，查明掘进工作面前方存在的含水构造，为采取有效的防治水手段做准备。

(2)矿井必须建立完善的主排水系统，配备足够的排水设备，足够的水仓容量，并保证其可靠性。

(3)对超前水文地质预测预报所提出的可疑区提前20m进行钻探验证，根据验证的结果制定切实可行的防治水措施。

(4)加强与高等院校及科研院所的联系，认真研究本矿的水文地质特点，探索煤层底板突水规律，采取可行的防治水策略，制定有效的防治水措施，避免重大水灾事故发生。