地面電測(cè)深法在待采工作面富水性探測(cè)中的應(yīng)用＊

占文鋒 王 強(qiáng) 王 柱

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，北京市石景山區(qū)，100040；2.湖北煤炭地質(zhì)物探測(cè)量隊(duì)，湖北省武漢市，430200）

隨著開(kāi)采水平的延伸和開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，水文條件變得更為復(fù)雜，受水害威脅的程度也更為嚴(yán)重。在底板灰?guī)r發(fā)育的礦井，可能將深部潛在高壓水導(dǎo)通，危害極大，易發(fā)生礦井突水甚至淹井等事故，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。因此，準(zhǔn)確查明工作面及周邊水文地質(zhì)條件對(duì)工作面水害進(jìn)行預(yù)報(bào)，并采取相應(yīng)的治理措施，從而保證工作面安全開(kāi)采就顯得尤為重要。

近年來(lái)，隨著電法勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，在礦井水探測(cè)和防治中得到廣泛應(yīng)用。直流電測(cè)深法作為傳統(tǒng)物探方法，技術(shù)成熟，并隨著數(shù)據(jù)反演技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸克服了異常體分辨率低的問(wèn)題，使勘探成果的精度和可靠性有了大幅提高，對(duì)回采工作面及其附近富水區(qū)探測(cè)有較好的效果，在礦井安全生產(chǎn)中起到重要作用。

1 工作區(qū)概況

河北康城煤礦采區(qū)內(nèi)大部分被新生界地層覆蓋，基巖出露較少。地層自下而上依次為奧陶系中統(tǒng) （O2）、石炭系中統(tǒng)本溪組 （C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組 （C3t）、二疊系下統(tǒng) （P1）、二疊系上統(tǒng)（P2）及第四系（Q）。太原組與山西組為主要含煤層，其中太原組含可采及局部可采煤層5層，依次為9＃、8＃、7＃、6＃、4＃煤層；山西組含2～4層煤層，主采2＃煤層。待采1905工作面西鄰1904工作面，走向長(zhǎng)826m，傾向?qū)?5m，主采9＃煤層，見(jiàn)圖1。根據(jù)附近鉆孔和巷道揭露情況，預(yù)測(cè)1905工作面所在9＃煤層厚度介于2.0～2.25m 之間，含3～4層炭質(zhì)頁(yè)巖夾矸，層厚0.04～0.3m。9＃煤層直接頂板為下架灰?guī)r或粉砂巖，灰?guī)r厚約0.5m，分布不穩(wěn)定；粉砂巖平均厚約2.0m，分布穩(wěn)定。煤層直接底板為鋁土質(zhì)泥巖，平均厚約10m。

巷道處于掘進(jìn)之中，需預(yù)先查明工作面構(gòu)造及水文情況，以保障巷道安全掘進(jìn)與工作面安全回采。根據(jù)地表?xiàng)l件選用電測(cè)深法，目的在于探測(cè)1905工作面范圍內(nèi)富、積水性；查明9＃煤層底板H1火成巖富水區(qū)；查明區(qū)內(nèi)陷落柱及隱伏構(gòu)造發(fā)育情況，并對(duì)其富水性進(jìn)行定性解釋。

圖1 1905工作面及測(cè)線布置示意圖

2 電測(cè)深原理及勘探區(qū)地球物理特征

2.1 電測(cè)深基本原理

電測(cè)深法是探測(cè)電性不同的巖層沿垂向分布的電阻率方法，該方法采用在同一測(cè)點(diǎn)上多次加大供電電極距 （AB）的方式，逐次測(cè)量電極距 （MN）間視電阻率ρs的變化規(guī)律。加大供電電極距AB可以增大勘探深度，因此，在同一測(cè)點(diǎn)上不斷加大供電極距所測(cè)出的ρs的變化，將反映出該測(cè)點(diǎn)下電阻率有差異的地質(zhì)體不同深度的分布情況。如圖2所示，以地面上的O 點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，將AMNB電極以O(shè)點(diǎn)為中心，呈左右對(duì)稱排列成一直線，當(dāng)A、B電極供電時(shí)，測(cè)量M、N 間電位差△UMN及AB回路中電流I，并按式 （1）即可計(jì)算O 點(diǎn)下方對(duì)應(yīng)深度范圍內(nèi)視電阻率ρs。

式中：ρs——視電阻率，Ω·m；

K——裝置系數(shù)，隨AB 變化而變化；

I——供電電流，mA；

△UMN——測(cè) 量 電 極 M、N 間 電 位 差，mV。

圖2 電測(cè)深工作原理

繼續(xù)保持O點(diǎn)為中心不動(dòng)，分別向左右對(duì)稱地移動(dòng)A、B，以擴(kuò)大A、B間距離，再次測(cè)量M、N間的電位差及供電電流，又可以計(jì)算出相應(yīng)的ρs 值。如此繼續(xù)擴(kuò)大AB，便可以算出對(duì)應(yīng)于每個(gè)AB的ρs值。對(duì)于每個(gè)計(jì)算出的ρs 值，以AB／2為橫坐標(biāo)，以ρs 為縱坐標(biāo)，將每一個(gè)AB／2對(duì)應(yīng)的ρs 值點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，并將其連接起來(lái)，即得到該測(cè)深點(diǎn)的電測(cè)深曲線。若一條測(cè)線有許多測(cè)深點(diǎn)，用上述方法就可以得到每個(gè)測(cè)深點(diǎn)的測(cè)深曲線。這些電測(cè)深曲線就是電測(cè)深的原始資料，根據(jù)這些電測(cè)深曲線便可繪出各類電測(cè)深定性解釋圖件。

2.2 勘探區(qū)地球物理特征

探測(cè)區(qū)層段為古生界上部石炭系、二疊系和新生界第四系地層，巖性主要由砂質(zhì)泥巖、砂巖、灰?guī)r及煤層組成。根據(jù)上述地層巖性資料，在正常不含水情況下，測(cè)區(qū)地層淺部新生界地層電阻率較高；其下煤系地層、泥巖及粉砂巖電阻率較低；奧陶系地層電阻率呈逐漸增高趨勢(shì)。不同的巖石具有不同的物性特征，構(gòu)成了電法探勘的物理學(xué)基礎(chǔ)。通常情況下，煤系地層沿水平方向沉積基本穩(wěn)定，橫向電性差異變化不大。但隨著同一層位有斷層或存在富積水區(qū)時(shí)，其電阻率將會(huì)出現(xiàn)明顯變化，此物性差異正是利用電測(cè)深法進(jìn)行勘探的前提。

3 工作方法及資料處理

3.1 方法有效性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地物條件和勘探要求，電測(cè)深選擇對(duì)稱四極裝置。沿工作面走向平行布設(shè)4 條測(cè)線，測(cè)線間距30 m，依次編號(hào)為A 線、C 線、E線、G 線；測(cè)點(diǎn)間距20 m，測(cè)點(diǎn)依次編號(hào)為0、20、40、……、500 （見(jiàn)圖1）。測(cè)量電極AB／2采用模數(shù)為6.25cm 雙對(duì)數(shù)格內(nèi)近均勻分布的8個(gè)電極距系列，測(cè)量電極距MN／2 為供電電極距的1／10。實(shí)測(cè)時(shí)，最大供電電極距AB／2=750 m，最小AB／2=10m，勘探深度大于300m，能夠滿足勘探深度要求，各電測(cè)深極距排列見(jiàn)表1。

表1 電測(cè)深極距排列表 m

圖3為A 測(cè)線0號(hào)測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線，特征點(diǎn)異常明顯，與各主要目的層深度對(duì)應(yīng)。測(cè)區(qū)內(nèi)電測(cè)深曲線基本為KH 型，各層視電阻率ρ1＜ρ2＞ρ3＜ρ4。由于不同層段厚度和視電阻率差異，導(dǎo)致曲線形態(tài)隨之發(fā)生變化。K 型曲線首枝段為第四系地層反映，K 型中段曲線拉得較長(zhǎng)，表明二疊系地層較厚；K 型尾端低值段為石炭系地層反映；H 型曲線尾枝為奧陶系高阻地層反映。通過(guò)分析各測(cè)點(diǎn)曲線類型及異常點(diǎn)，可以推斷測(cè)區(qū)地層分布、斷層位置及其富水性情況。

圖3 A 線0號(hào)測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線

3.2 電測(cè)深數(shù)據(jù)處理方法

直流電測(cè)深資料通常利用量板法、S折線法等進(jìn)行解釋。基于體積勘探效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)方法對(duì)一些有用的局部信息進(jìn)行了圓滑處理，導(dǎo)致對(duì)異常分辨率降低，制約了電測(cè)深的勘探效果和解釋精度。

本次數(shù)據(jù)處理基于測(cè)深導(dǎo)數(shù)法 （K 剖面法），壓制干擾，突出異常信息。各實(shí)測(cè)曲線經(jīng)系統(tǒng)整理、初步處理后，根據(jù)電測(cè)深曲線的形態(tài)，對(duì)實(shí)測(cè)電阻率曲線以一定的采樣間隔數(shù)字化后的點(diǎn)數(shù)作為層數(shù)，以數(shù)字化后相鄰電極距的差作為層厚，以對(duì)應(yīng)點(diǎn)的視電阻率作為層阻，用阻尼最小二乘法對(duì)測(cè)深曲線進(jìn)行一維自動(dòng)迭代反演計(jì)算，然后計(jì)算模型參數(shù)的改正量，并根據(jù)它對(duì)初始模型參數(shù)進(jìn)行校正，把校正后的模型參數(shù)作為新的初始模型計(jì)算新的目標(biāo)函數(shù)，如此反復(fù)，直至擬合誤差達(dá)到預(yù)期精度標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合以往區(qū)內(nèi)物探勘查經(jīng)驗(yàn)，并與已知地質(zhì)、鉆孔資料對(duì)照，圓滑個(gè)別不正常觀測(cè)值，通過(guò)反復(fù)對(duì)比，最終以視電阻率ρs 值為主要解釋參數(shù)，繪制測(cè)區(qū)視電阻率等值線剖面圖，見(jiàn)圖4，分析異常。

3.3 成果解釋與驗(yàn)證

圖4為各測(cè)線視電阻率等值線剖面圖，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)水平距離，縱坐標(biāo)為標(biāo)高。剖面顏色從黑色～灰色～白色漸變，代表視電阻率由低～較高～高的漸變過(guò)程。圖中實(shí)線表示9＃煤層底板界面，虛線表示9＃煤層頂板界面，雙點(diǎn)劃線表示H1火成巖界面。富水區(qū)段在剖面圖上表現(xiàn)為視電阻率相對(duì)低的特征，視電阻率等值線呈現(xiàn)為低阻圈閉或低阻條帶，富水性越強(qiáng)的地段視電阻率值相對(duì)越低。根據(jù)測(cè)區(qū)地電條件，小于110Ω·m 的區(qū)域劃分為強(qiáng)富水區(qū)，大于110Ω·m 小于120Ω·m 的區(qū)域劃分為弱富水區(qū)，據(jù)此對(duì)測(cè)區(qū)富水分布情況進(jìn)行解釋推斷。

圖4 A、C、E、G 測(cè)線視電阻率剖面圖

縱向上由淺到深視電阻率基本呈現(xiàn)由中低～高～中高的電性特征。上部為中低阻反映，自上而下逐漸增大，反映了不同地層的電性變化規(guī)律。新生界地層為低電阻反映；中部高阻段為二疊系地層的反映；下部中高阻段為石炭系地層反映。當(dāng)巖層富水性強(qiáng)時(shí)，視電阻率曲線呈現(xiàn)局部低電阻不均勻體反映。在視電阻率剖面圖上，視電阻率等值線向下凹陷，表現(xiàn)為 “兩高夾一低”的特征。

橫向上，圖4 （a）中主要異常位于0～40 m之間，視電阻率呈低阻反映，說(shuō)明此部位富水性較強(qiáng)，為富水區(qū)反映。圖4 （b）中主要異常位于20～80m、120～160m 之間，視電阻率曲線急劇變化，向下凹陷呈低阻反映，為富水區(qū)反映。圖4（c）中主要異常區(qū)位于360～400 m、460～500 m之間，呈低阻反映，推測(cè)為富水區(qū)。圖4 （d）中主要異常則位于180～300m、380～400m、480～500m 之間，呈低阻反映，推測(cè)為富水區(qū)反映。

4 目標(biāo)層富水性分析

在確定某一層位富水區(qū)時(shí)，首先依據(jù)富水區(qū)在視電阻率順層切片圖上的表現(xiàn)特征，對(duì)有異常反應(yīng)的區(qū)域在平面位置上進(jìn)行圈定和組合，初步確定富水異常區(qū)的范圍；然后與視電阻率剖面圖進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步確定富水區(qū)的分布范圍及賦存形態(tài)，并結(jié)合地質(zhì)、水文成果做對(duì)應(yīng)綜合分析，確定富水異常區(qū)的分布規(guī)律；最后通過(guò)對(duì)全區(qū)地質(zhì)資料及繪制的各種圖件進(jìn)行綜合分析、研究、對(duì)比，劃定各層位的富水異常區(qū)，繪制出各目標(biāo)層的富水區(qū)分布圖。根據(jù)測(cè)區(qū)9＃煤層底板標(biāo)高線，并參照測(cè)區(qū)地質(zhì)和水文資料，對(duì)9＃煤層頂、底板及H1火成巖底界面制作視電阻率順層切片，見(jiàn)圖5，圖中黑色陰影區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)。

圖5 1905工作面視電阻率三維立體圖

圖5中 （a）部分為9＃煤層頂板富水區(qū)分布圖，9＃煤層頂板裂隙含水層主要由下架灰?guī)r或粉砂巖組成，膠結(jié)較松散，裂隙較發(fā)育。從圖中可以看出，測(cè)區(qū)共有4個(gè)富水異常區(qū)。其中，西南部和東北部富水區(qū)相對(duì)較多、較集中，中部有一個(gè)富水區(qū)分布。圖5中 （b）部分為9＃煤層底板富水區(qū)分布圖，與頂板相差不大，共有3個(gè)富水異常區(qū)。圖5中 （c）部分為H1火成巖底界面富水區(qū)分布圖，共有5個(gè)富水異常區(qū)。

從已知水文地質(zhì)資料看，測(cè)區(qū)內(nèi)影響開(kāi)采的主要地下水類型為頂板的大青灰?guī)r、粉砂巖含水層及H2火成巖含水層，底板的H1火成巖含水層。煤層頂?shù)装辶严端敲簩娱_(kāi)采的直接充水水源，由于砂巖或火成巖裂隙的發(fā)育，一般富水性強(qiáng)，但不均一。從地面電法勘探的成果來(lái)看，各目的層富水不均一，但沿層位水力聯(lián)系較強(qiáng)。從三維立體圖上看，測(cè)區(qū)主要的富水區(qū)集中在西南角及東北角，且上下水力聯(lián)系較強(qiáng)。根據(jù)解譯結(jié)果設(shè)計(jì)ZK1、ZK2、ZK3三個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示電測(cè)深成果與鉆探揭露情況對(duì)應(yīng)較準(zhǔn)確。巷道掘進(jìn)或工作面回采時(shí)，建議針對(duì)圈定的低阻異常區(qū)段，開(kāi)展超前探查工作，以確保工作面安全回采。

5 結(jié)論與建議

本次測(cè)線、測(cè)點(diǎn)位置準(zhǔn)確，誤差在0.5 m以內(nèi)。結(jié)合已知地質(zhì)、水文資料，對(duì)地面電法勘探資料進(jìn)行了綜合處理、分析、解釋，物探異常可靠，獲得的主要認(rèn)識(shí)如下：

（1）9＃煤層頂板圈定了4 個(gè)富水異常區(qū)，富水總面積約為4400m2，主要集中于測(cè)區(qū)西南部及東北部；9＃煤層底板圈定了3 個(gè)富水異常區(qū)，富水總面積約為2000m2，主要集中于測(cè)區(qū)西南角及東北角；H1火成巖圈定了5 個(gè)富水異常區(qū)，富水總面積約為5400m2，主要集中于測(cè)區(qū)東北角及中部。總體而言，測(cè)區(qū)西南部及東北部富水性相對(duì)較強(qiáng)，局部富水異常區(qū)較明顯，反映富水具有不均一性特點(diǎn)。

（2）測(cè)區(qū)內(nèi)影響開(kāi)采的主要地下水類型為頂板大青灰?guī)r、粉砂巖含水層及H2火成巖含水層、底板H1火成巖含水層。煤層頂?shù)装辶严端敲簩娱_(kāi)采的直接充水水源。由于砂巖或火成巖裂隙發(fā)育，一般富水性強(qiáng)，但不均一。依據(jù)電法勘探成果，各層富水異常區(qū)位置具有一致，顯示在垂向上有一定的水力聯(lián)系。

（3）建議對(duì)富水區(qū)引起足夠的重視，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，將破壞地下水原始的平衡狀態(tài)，使上下地層之間的水力聯(lián)系加大。隨著礦井生產(chǎn)的推進(jìn)，需對(duì)上、下富水區(qū)的聯(lián)系做深入細(xì)致的分析和研究，巷道掘進(jìn)或工作面回采時(shí)，針對(duì)圈定的低阻異常區(qū)段，開(kāi)展相應(yīng)的超前探查工作，及時(shí)采取有效措施，防止水患發(fā)生。

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