图1 直流电法超前探测原理示意
Fig.1 Principle sketch of advanced DC electric detection
地质与测量
潜在的老窑积水巷道(或积水采空区)是煤矿主要隐蔽致灾因素[1]之一。如2005年8月7日广东梅州兴宁市大兴煤矿发生老窑淹井重大透水事故，死亡100多人，矿井报废。2010年3月28日山西省王家岭煤矿遇老窑积水巷道[2]，突发重大透水，造成特大伤亡事故。据统计，我国“十一五”期间，114起较大水害事故中，掘透老窑积水105起、占92.1%，其余占7.9%。26起重大以上水害事故中，其中老窑积水引起的22起，占84.6%，其余占13.4%。从水害事故原因看，大多数都是水文地质条件探查不清，无探放水措施，盲目掘进诱发老窑积水或直接揭露老窑积水巷道透水。由于老窑积水巷道相对较小，准确探查一直是探测难点。
自“十一五”以来，针对煤矿老窑积水区的探查展开了地面物探[1]、矿井物探[2]等一系列探查方法试验和研究，尤其对矿井独头巷道掘进超前探测技术研究取得了一系列成果[4]。地面物探基本能对较大范围的老窑积水采空区探查清楚，但地面物探对探查老窑积水巷道[4]、多层采空区[5]等误差大难度大，仍然会引发老窑透水事故。如地面直流电法在一些戈壁或者基岩裸露地区，电极接地电阻大很难应用；瞬变电磁法[6]异常范围较大，对某条巷道或者较小的采空区分辨率较低，不能精细化指导煤矿的安全生产，但这些方法各有自己的特点并取得了一定的成果。为了满足煤矿井下安全掘进要求，迫切需要更准确的探测方法，因此井下直流电法超前探测技术[7]应运而生，三维超前电法理论证明该方法可行[8-9]，其相对于其他地面物探手段，更接近探测目标体，绝对误差相对较小，对低阻体反映敏感，是一种快速有效的跟踪掘进巷道超前探测方法[10-12]。另外，其他方法如MSP技术[13]、坑道音频电法[14]、高密度二极三维直流电法[15]等对老窑积水巷道难以分辨或处于研究阶段。即使直流超前探测法在实际应用中老窑积水巷道在电法中的异常特征规律性很难把握，往往造成误判，探查后仍然易造成老窑透水事故[2]。现对已经验证的超前探测的电性异常特征进一步归纳总结，以满足实际生产需要。该技术已先后推广应用于全国许多大型煤炭企业，效果良好。在实际应用中，煤矿井下情况复杂，应结合已知地质条件综合分析谨慎对待。对于掘进迎头前方出现的重点异常，必需要严格按照防治水规定，采取必要防治水措施，做到防患于未然。
为了解决电法异常特征的多种多样、不易判断和把握的难题， 解释标准是从实际若干验证结果中统计产生的，对实际生产有一定指导意义。
对于均匀全空间，点电源的等位面是1个以点电源为球心的球壳，不管球壳的前面、后面、左面、右面其上的电位均相等，对于点电源来说，其球壳上的电位具有球对称性。在地下巷道内工作面供电点的后方就可以探测前方对称位置的电场情况，这是直流超前探测的基本理论依据[7]。
电源点A产生的电场分布特征的空间形态如图1所示，可用以下关系式表达，即
UM=Iρ/(4πRAM),UN=Iρ/(4πRAN)
式中：UM、UN分别为观测点M、N点之电位，V；I为供电电流强度，A；ρ为均匀空间介质电阻率，Ω·m；RAM为观测点M到电源点A的距离，m。
图1 直流电法超前探测原理示意
Fig.1 Principle sketch of advanced DC electric detection
岩石的视电阻率ρs=KΔUMN/I，其中K为装置系数,即有
ΔUMN=UM-UN
在均匀空间中，该技术采用六电极系装置(或七电极系装置，4个点供电电极)，在巷道掘进工作面附近等间距布置3个点供电电极A1、A2、A3，分别往地下供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，各供电电极分别供电时都是点电源，其电流线以Ai点电极(i=1，2，3，以下同)为球心往外辐射，其等电位面是以Ai为球心的球面，该球面的特点是在同1个球面上的任意一点的电位相同。由一定间隔的MN电极测得两个球壳之间的电位差[7]。施工布置如图2所示。
当掘进工作面前方无地质构造时，获得的电位差为正常值，掘进工作面前方存在地质构造时，等位面的分布将被改变，表现为包含地质构造的2个等位面之间的电位差发生变化，而该值可以通过测量掘进工作面后方的MN两电极获得。实际上MN间的电位差包括掘进工作面前方、后方、上方、下方、左方、右方全空间地层的地质信息。通过进一步处理解释就可得到前方电性异常的赋存状态[7]。
图2 井下直流电法超前探测施工布置
Fig.2 Underground layout of advanced DC electric detection method
根据实测统计结果：当0.5|δ|<Exp≤|δ|为一级异常，一般为对应前方含水导水性相对较差或无构造、或不含水的岩性变化；当|δ|<Exp≤2|δ|为二级异常，其中Exp为超前探测电阻率异常值，δ为均方差[7]，一般对应岩石电性变化较大，如岩石相变、底鼓、含水断层、淋水裂隙及老窑等局部含水性较强的异常地质体；当Exp>2|δ|为三极异常，一般对应突出的岩石电性变化，如大的导水断层(或导水裂隙发育带)、老窑积水巷道或潜在的导水或突水地质构造等强含水体的反应，一般为“灾害性”地质构造。
在正常情况下，煤层未被采动时，沉积地层一般呈现成层性和完整性，地层电性在横向上是相对均一的，小区域内同一地层的电性变化不会太大。煤层被采空后，煤层上下岩层间形成一定的空间，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率值明显与周边完整岩石的电阻率值不同，表现出局部电性异常特性。当采空区(或老窑巷道等)的空间被水完全充填，因矿化度较高，其电阻率常呈低阻反映；当采空区的空间不完全充填，其电阻率不一定呈低阻反映；当采空区的空间为空气充填，其电阻率常呈高阻反映。一般情况下，视电阻率值大小顺序依次为：采空区(空洞)>灰岩>煤层>砂岩>积水采空区或含导水裂隙破碎带。这种电性的变化与差异，在纵向、横向上都打破了原有地层电性的固有规律，使用物探仪器探测其赋存位置成为可能。
新疆库车某矿下5煤工作面材料巷掘进工作面超前探测拟断面[16] 如图3所示。此次超前探测距离为80 m范围内主要有3个低阻异常，分别位于45—50 m(1号异常)，54—61 m(2号异常)，78—80 m(3号异常)。验证结果：1号异常和2号异常，巷道掘进后锚杆淋水、顶板裂隙淋水，属于裂隙水影响。3号异常，掘进时揭露为斜交老窑巷道,部分积水。经分析得,本次均方差δ=±19,本次低阻异常范围较小，1号异常、2号异常幅值均大于1倍均方差但小于2倍均方差(为二级异常)，3号异常幅值-12在0.5～1倍均方差间(为一级异常)。调查结果，3号异常为1967年建井的老窑巷道，直径3 m左右，水量较小。
图3 新疆库车某矿直流电法超前探测结果
Fig.3 Detection result of advanced DC electric detection in a mine of Kuche, Xinjiang
王家岭碟子沟20101工作面回风巷电法超前探测拟断面[17] 如图4所示。
图4 王家岭20101工作面回风巷直流电法超前探测结果
Fig.4 Detection results of advanced DC electric detection in air return gateway of No.20101 working face of Wangjialing Mine
探测结果：此次超前探测距离100 m范围内主要有3处视电阻率低阻异常，分别位于掘进工作面前方27—36 m(1号异常，位于20101工作面回风巷口往西770 m附近)，56—60 m 的2号异常(20101工作面回风巷口往西798 m附近)，73—78 m(3号异常，20101工作面回风巷口往西833 m附近)。
1)验证结果：因为各种原因未安排对物探异常点进行钻探验证。当掘进到1号异常时，无大的地质异常情况，是岩层裂隙发育带，安全通过；当掘进到2号异常(797.8 m)时发生了王家岭煤矿“3·28”特别重大透水责任事故，造成153人被困井下，经全力抢救，115人获救(均受伤)，38人死亡，直接经济损失达4 900多万元。
2)结果分析：本次均方差δ=±20，其中1号异常幅值-36相对较大，2号异常-21，次之，3号异常-20最小，均在δ～2δ间内，均属于二级异常。1号异常范围较大，宽约9 m，为局部裂隙发育带；2号异常范围较小，宽约4 m，积水巷道垂直于掘进方向，积满水的老窑巷道位于煤层的上分层(该处煤层厚约7 m)，高2.4 m、宽2.2 m，掘进巷道高3.7 m、宽5.6 m，距探测掘进工作面56 m；3号异常宽约4 m，性质未知，其中，老窑透水平面如图5所示。
图5 2号异常老窑透水平面示意
Fig.5 Schematic of permeable surface of No.2 abnormal mine
中煤能源股份有限公司平朔分公司某矿9号煤南翼主运大巷6号测量点前24 m的巷道掘进工作面位置直流电法顺煤层超前探测结果[17]如图6所示。
Ⅰ—1级低阻异常临界值；Ⅱ—2级低阻异常临界值；Ⅲ—3级低阻异常带
图6 平朔某矿直流电法超前探测结果
Fig.6 Result of advanced DC electric detection in a mine of Pingshuo
探测结果得：此次超前探测距离112 m范围内主要存在2个较大低阻异常，分别位于40—44 m(1号异常)，100—108 m(2号异常)。
1)验证结果：当掘进至1号异常43.3 m处发生老窑透水，峰值突水量约9 000 m3/h，因决策正确无人员伤亡，短时间内工作面被淹。排干水后打钻验证2号异常仍为大量老窑积水巷道。
2)结果分析：本次均方差δ=±20。灾害性临界预报点为≤40。发现2个3级低阻异常(1号异常-45、2号异常-43)为灾害性异常。1号异常低阻异常范围较小，幅值大于2倍均方差，对应1条老窑积水巷道直径约3 m充满水。2号异常低阻异常范围较大宽4 m多，幅值大于2倍均方差，是2条交叉老窑积水巷道直径均2～3 m，充满水且量大。探测方向与2个老窑巷道斜交。2号异常虽远但异常仍属于3级较大低阻异常，说明距离远近基本不影响异常的大小。
矿井直流电法超前探测技术在煤矿跟踪掘进工作面超前探测了数千次，每次探测距离约100m，探测距离误差一般不大于5%，已经成功探测出许多老窑积水巷道，尚无漏报，成功预防了多次老窑巷道透水事故。主要有以下电法异常特征：
1)老窑积水巷道与电法探测方向不管是正交或斜交，因电法的体积勘探效应无法区分。
2)老窑积水巷道的直流电法超前探测异常特征之一，共同表现为1个单一下尖的低阻异常，宽度范围相对较小(3～5 m)。老窑积水巷道异常特征之二，当其异常大于一倍均方差δ(至少为2级异常)时，一般对应老窑巷道积满水的情况；当大于2δ(3级异常)，一般对应水量较大可能是灾害性异常。(可作为预警条件)。窑积水巷道低阻异常特征三，当巷道内局部积水时，仍表现为低阻异常，异常相对较小，一般大于半倍均方差(1级异常)。应根据防治水有关规定采取有效措施进行验证。
3)含导水裂隙破碎带常表现为幅值较大低阻异常特征，但其异常形态不是单一对称的下尖异常，其范围常表现较宽，与老窑积水巷道有区别，如顶板淋水等裂隙发育带会表现为局部下尖的1个较宽二级异常等。
4)直流电法超前探测使用的是相对电阻率异常值，距离对异常大小影响相对较小。值得注意的是，电法具有多解性目前还没有克服，建议尽量使用两种物探相互验证，或物探与钻探相互验证可以减少多解性。
致谢：实测资料是由中煤科工集团西安研究院电法勘探研究所提供，在此表示感谢。
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