高密度電法在探測(cè)煤層頂板富水異常區(qū)中的應(yīng)用

謝 偉

（神東天隆集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000）

霍洛灣煤礦南與李家塔煤礦相連，東鄰烏蘭煤礦和安冶煤礦。李家塔礦2-2煤層已經(jīng)回采，有跡象表明烏蘭礦界內(nèi)的原小煤窯存在越界開(kāi)采可能情況，露天礦坑及采空區(qū)大量積水極易通過(guò)小窯巷道或其它可能通道潰入霍洛灣礦井，對(duì)霍洛灣礦安全生產(chǎn)，特別是對(duì)22210工作面的安全順利回采構(gòu)成巨大威脅。因此，本項(xiàng)目采用高密度電法在東南礦界高壓線密集區(qū)開(kāi)展工作，探查橫穿霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層附近存在富水異常區(qū)，為堵截、治理工程提供參考資料。

1 高密度電法原理

高密度電阻率法是常規(guī)電阻率法的一個(gè)變種，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同，仍是以巖石的電性差異為基礎(chǔ)的一類(lèi)勘探方法，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)解決礦產(chǎn)資源、環(huán)境和工程地質(zhì)問(wèn)題。較常規(guī)電阻率法高密度電阻率法具有以下特點(diǎn)：

（1）電極布設(shè)一次完成，可減少因電極設(shè)置而引起的故障和干擾，并為野外數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

（2）能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，因而可以獲得較豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息。

（3）野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，不僅采集速度快 （大約每一測(cè)點(diǎn)需2～5s），而且避免了因手工操作所出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

（4）可以對(duì)資料進(jìn)行預(yù)處理并顯示剖面曲線形態(tài)，脫機(jī)處理后還可自動(dòng)繪制和打印成果圖件。

（5）與傳統(tǒng)電阻率法相比，成本低、效率高、信息豐富、解釋方便，探測(cè)能力顯著提高。

在求解簡(jiǎn)單地電條件的電場(chǎng)分布時(shí)，常采取解析法，由于坐標(biāo)系的限制，解析法能夠計(jì)算的地電模型是非常有限的。因此，在研究復(fù)雜地電模型的電場(chǎng)分布時(shí)，主要還是采用了各種數(shù)值模擬方法。對(duì)于二維地電模型，一般選用了點(diǎn)源二維有限方法，對(duì)于三維地電模型則選用面積分方程法。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 礦井水文地質(zhì)條件

2.1.1 區(qū)域水文地質(zhì)

本區(qū)地下水以孔隙潛水和裂隙承壓水兩種形式賦存，水文地質(zhì)條件為簡(jiǎn)單—中等型。由于區(qū)內(nèi)巖性變化較大，含（隔）水層厚度變化亦大，難以劃分穩(wěn)定的含（隔）水層，只能劃分相對(duì)的含隔水層組，以第四系底部砂礫層為孔隙潛水含水層，基巖各地層組段中以粗砂巖為裂隙潛水含水層和裂隙承壓含水層，以第三系和基巖各地層組段泥巖、砂泥巖等劃分為相對(duì)隔水層?？紫稘撍畬佑纱髿饨邓a(bǔ)給，補(bǔ)給量的大小由降水量的多少和地形情況控制，基巖裂隙承壓含水層因各含水層垂直水力聯(lián)系甚弱，主要以側(cè)向補(bǔ)給為主，大氣降水間接補(bǔ)給。

2.1.2 含 （隔）水層

井田內(nèi)上覆地層中含 （隔）水層包括第四系（Q4）松散潛水含水層、侏羅系-白堊系志丹群（J3-K12h）砂巖裂隙潛水含水層、侏羅系直羅組裂隙承壓含水層、侏羅系延安組 （J1-2y）裂隙承壓含水層，另外本區(qū)除第四系 （Q4）孔隙潛水含水層與基巖裂隙含水層間有第三系 （N2）粘土隔水層外，各基巖地層層段皆有多層粉砂巖、砂質(zhì)泥巖隔水層阻隔，且隔水層厚度大于含水層厚度，含水層與隔水層厚度比多在1∶3左右，隔水性能好，各含水層間垂向上基本無(wú)水力聯(lián)系。

2.1.3 礦井采空區(qū)充水情況

霍洛灣煤礦留有井田境界煤柱，南與之相連的李家塔煤礦生產(chǎn)規(guī)模較大，開(kāi)采煤層與霍洛灣煤礦基本相同；東鄰的烏蘭煤礦和安冶煤礦開(kāi)采2-2煤層的淺部，雖留有井田邊界煤柱，但由于烏蘭露天礦礦坑積水及在井田的東南角廢窯，坑道儲(chǔ)滿積水，水量不詳，在開(kāi)采東南邊界時(shí)，積水有可能通過(guò)鄰近采空區(qū)（巷道）或裂隙補(bǔ)給含水層或直接滲入井下，給本礦東南邊界工作面的安全開(kāi)采造成威脅。

2.1.4 礦井含煤地層概況

霍洛灣煤礦含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組（J2y），由灰白～淺灰色各粒級(jí)砂巖、灰色～深灰色粉砂巖、砂 （粉砂）質(zhì)泥巖、泥巖夾煤層規(guī)律性交替組成。井田內(nèi)延安組含煤10～32層，多數(shù)鉆孔見(jiàn)煤19層，其中可采煤層有9層。目前以2-2煤層開(kāi)采最為關(guān)鍵，該煤層位于侏羅系延安組第四段 （J1-2y4）中上部，煤層厚0.88～6.79m，平均4.95m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含一層夾矸，夾矸最厚0.58m，為泥巖或炭質(zhì)泥巖，煤厚變異系數(shù)為36%，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定煤層。

2.2 探測(cè)設(shè)備

瞬變電磁法探測(cè)設(shè)備使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電磁法探測(cè)儀，該儀器是當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的電磁法探測(cè)系統(tǒng)之一。

高密度電法資料采集使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WDJD-3型多功能數(shù)字直流激電儀和WDZJ-3多路電極轉(zhuǎn)換器組成。

2.3 地球物理特征

高密度電法均是以巖石導(dǎo)電性差異（即電阻率大?。閼?yīng)用前提的地球物理勘探方法。不同的巖性具有不同的電性特征，含煤地層具有層狀分布的特點(diǎn)，電性分布在橫向上相對(duì)均一，縱向上有固定的變化規(guī)律。當(dāng)均勻地層中存在含水區(qū)時(shí)，其含水區(qū)電性值較圍巖電性值偏低，含水區(qū)域范圍越大，含水性越強(qiáng)，其低電性值在探測(cè)到的視電阻率中反映越明顯，等值線會(huì)發(fā)生有規(guī)律的變形、圈閉等現(xiàn)象。

總結(jié)地層電性特征并結(jié)合井田內(nèi)水文孔測(cè)井曲線分析，淺部第四系的風(fēng)積沙呈高阻電性特征，第三系主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，總體上呈低阻電性特征；中部侏羅系延安組地層巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖及深灰色砂質(zhì)泥巖，次為灰白色中、粗粒砂巖和黑色泥巖及煤層組成，總體呈中等電阻電性特征，向下電性又呈減小的趨勢(shì)特征。

3 成果資料分析

高密度電法勘探實(shí)際完成測(cè)線長(zhǎng)度8480 m（含復(fù)測(cè)測(cè)線長(zhǎng)度940m），施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際地形情況進(jìn)行了復(fù)測(cè)檢查，檢查測(cè)線長(zhǎng)度940 m，占總工作量的11%，符合 《規(guī)范》中檢查點(diǎn)不少于3%～5%的要求。

3.1 高密度數(shù)據(jù)處理流程

高密度野外采集的數(shù)據(jù)處理前，首先對(duì)其逐點(diǎn)進(jìn)行整理或預(yù)處理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行編錄，整理成專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的順序和格式，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，突出地質(zhì)信息，再利用專(zhuān)用軟件轉(zhuǎn)換得到視電阻率和視深度等參數(shù)；在此基礎(chǔ)上結(jié)合有關(guān)測(cè)量、地質(zhì)和鉆探等資料做進(jìn)一步分析處理，從而推斷出可能的過(guò)水通道。

3.2 測(cè)網(wǎng)布置與工作量

根據(jù)霍洛灣煤礦井田地質(zhì)報(bào)告，2-2煤層主要含水層為侏羅系直羅組裂隙承壓含水層和侏羅系延安組 （J1-2y）裂隙承壓含水層，含水部位為中粒砂巖層段，其在各煤層組間皆有發(fā)育，層厚一般小于15m，富水性弱。另外一個(gè)最重要的充水因素為小窯采空區(qū)積水，本礦井田東部與烏蘭露天煤礦、烏蘭井工礦相鄰，在井田的東南角有一廢窯，開(kāi)采深度不大，但現(xiàn)在坑道儲(chǔ)滿積水，且可能與烏蘭礦露天采坑積水連成一體，因廢窯被堵，水量不詳，潛在的富水構(gòu)造對(duì)霍洛灣礦安全生產(chǎn)造成隱患。故此，本課題在霍洛灣煤礦東側(cè)和烏蘭礦重合的礦界以及南側(cè)礦界進(jìn)行施工，探查霍洛灣煤礦和烏蘭礦重合的邊界以及霍洛灣煤礦東邊界北段 （E 區(qū)）富水性異常的分布范圍。

根據(jù)工作要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，高密度電法完成工作量包括高密度測(cè)線原則上沿霍洛灣礦界布置，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，對(duì)部分測(cè)線進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，兩個(gè)野外階段共完成高密度測(cè)線16條，編號(hào)G1～G15，總長(zhǎng)約8480m。

3.3 視電阻率擬斷面圖結(jié)果分析

霍洛灣煤礦東邊界北段 （E 區(qū)）高壓線密集，主要集中在G13～G16線 （E 區(qū)），長(zhǎng)度達(dá)到2120 m，測(cè)點(diǎn)間距530m。因此對(duì)本區(qū)域解釋采用高密度測(cè)線為主?；袈鍨硸|邊界北段E 區(qū)的G13、G15和G16線高密度測(cè)線電法實(shí)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

正常地層中含水時(shí)，其電阻率值較不含水時(shí)偏低，含水性越強(qiáng)其電阻率值越低。高密度勘探方法用于解釋的參數(shù)即是與電阻率密切相關(guān)的視電阻率，該物性基本上可以反映地層的電性變化情況。

在斷面圖中，縱坐標(biāo)為高程，橫坐標(biāo)為相對(duì)測(cè)線起點(diǎn)的水平距離及測(cè)點(diǎn)編號(hào)。為使斷面圖更加直觀，將視電阻率等值線的變化采用深、淺顏色加以填充。文中將視電阻率值較低的區(qū)域采用深色填充，視電阻率值較高區(qū)域采用淺色填充。圖中虛線圈出了可能的過(guò)水通道，圖中數(shù)值 （1.6、1.8、2、2.2、2.4）表示該點(diǎn)處的電阻率值。同時(shí)為了評(píng)價(jià)異常區(qū)的可靠性，在圖中標(biāo)示了高壓線的大體分布情況及影響范圍。

從視電阻率擬斷面圖垂向來(lái)看，地層沉積層序清晰、穩(wěn)定，各斷面圖整體呈現(xiàn)高-低的電性特征，斷面圖總體電性特征與探測(cè)區(qū)內(nèi)地層電性分布規(guī)律吻合。橫向上斷面圖中的低阻異常反映比較明顯，共發(fā)現(xiàn)4處低阻異常區(qū)，編號(hào)為E-1～E-4異常區(qū)。E-1異常區(qū)垂向上大致分布于2-2煤層附近地層，推斷該異常區(qū)由煤層裂隙相對(duì)富水引起，但根據(jù)已有資料，異常區(qū)附近存在烏蘭礦采空區(qū)，因此，并不能排除由采空區(qū)積水 （巷道積水）引起；E-2和E-3異常區(qū)處為高壓線鐵塔，異?？煽啃暂^低，該異常區(qū)受到鐵塔一定程度的影響，但不排除烏蘭礦露天采坑積水通過(guò)裂隙進(jìn)行補(bǔ)給；E-4異常區(qū)附近為加油站油庫(kù)，該異常受到油庫(kù)影響，但不排除烏蘭礦露天采坑積水通過(guò)裂隙進(jìn)行補(bǔ)給，具體分析見(jiàn)表1。

3.4 效果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層附近存在富水異常區(qū)的判斷可知，存在E-1～E-4共4處低阻異常區(qū)域，將給日后采面安全回采構(gòu)成重大隱患。為了驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)高密度電法探測(cè)所發(fā)現(xiàn)的4處低阻異常區(qū)可靠性，對(duì)富水異常區(qū)及存在爭(zhēng)議區(qū)域?qū)嵤┐蜚@驗(yàn)證和放水作業(yè)工作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，發(fā)現(xiàn)22210工作面切眼以東煤層及頂?shù)装鍘r層裂隙較發(fā)育并具有一定的富水性。目前已在22210工作面開(kāi)切眼位置采取有效措施，防治水效果顯著。本次東南邊界2-2煤層富水區(qū)域開(kāi)展高密度電法勘探結(jié)果與井田實(shí)際水文地質(zhì)情況基本吻合，表明了高密度電法在探查霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層工作面頂板富水構(gòu)造及富水巖層具有可行性和準(zhǔn)確性。

圖1 霍洛灣煤礦東邊界北段 （E區(qū)）視電阻率擬斷面圖

表1 霍洛灣煤礦東邊界異常分析統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本次霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層附近存在富水異常區(qū)采取的高密度電阻率法勘探探查發(fā)現(xiàn)了多處低阻異常區(qū)域，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)打孔驗(yàn)證表明采用煤礦高密度電阻率法探查2-2煤層頂板富水構(gòu)造的分布及其富水性方面具有可行性，對(duì)該礦2-2煤層頂板水害防治及其方案設(shè)計(jì)與施工具有一定的指導(dǎo)意義。高密度電阻率法與傳統(tǒng)電阻率法相比，能準(zhǔn)確而及時(shí)地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)富水異常構(gòu)造，并可取得較滿意的探測(cè)效果。

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