高密度電阻率法在松散層厚度探測(cè)中的應(yīng)用

侯彥威

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

高密度電阻率法在松散層厚度探測(cè)中的應(yīng)用

侯彥威*

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

陜北侏羅紀(jì)煤田煤層傾角小、埋藏淺，地表松散層厚則煤層頂板基巖薄，工作面回采過程中有潰砂危險(xiǎn)。以韓家灣煤礦為例，采用高密度電阻率法對(duì)地表松散砂層厚度進(jìn)行了探測(cè)，總結(jié)了施工和數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)具有相似地質(zhì)情況的煤礦具有借鑒意義。

高密度電阻率法；煤礦；松散層；視電阻率

陜北神府礦區(qū)煤層埋藏較淺，地表松散風(fēng)積砂層偏厚，但具有不均勻性，導(dǎo)致煤層頂板基巖變薄。井下開采期間，工作面頂板基巖冒落形成的裂隙為潰砂提供了通道，若松散層含水，則極易形成涌水潰砂事故，嚴(yán)重影響工作面回采和人身安全。采用橫縱向分辨率較高的高密度電阻率法進(jìn)行勘探，結(jié)合已知地質(zhì)資料對(duì)物探成果進(jìn)行了綜合分析與解釋，可以完成松散層厚度的推斷，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)潰砂危險(xiǎn)區(qū)。

1　基本原理及探測(cè)方法

1.1基本原理

高密度電阻率法以巖土體的電性差異為基礎(chǔ),在施加外電場(chǎng)的作用下,研究地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律,觀測(cè)巖土體的電性變化以達(dá)到勘探目的[1]，與常規(guī)電阻率法相比,具有觀測(cè)精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、分辨率高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[2]。它既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化,同時(shí)又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況,具備電剖面法和電測(cè)深法2種方法的綜合探測(cè)能力。其電阻率的求取是通過給AB極供電流I,利用MN測(cè)量電位差?V，并通過下式求得測(cè)點(diǎn)處的視電阻率值:

式中：K——裝置系數(shù),其中：

AM、AN、BM、BN——電極距[3]。

1.2探測(cè)方法

高密度電阻率法勘探的裝置多達(dá)十余種，施工效率較高的是變斷面連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量的三極A-MN與MN-B裝置，電極排列如圖1所示，圖中M、N為測(cè)量電極，A或B為供電電極[4]。

圖1　三極測(cè)量裝置

工作時(shí)，無窮遠(yuǎn)電極B或A放置的距離為最大電極距的5倍，測(cè)量斷面為矩形，測(cè)量時(shí)，測(cè)量電極M、N不動(dòng)，A-MN裝置供電電極A逐點(diǎn)向左移動(dòng)，得到一條滾動(dòng)線，接著A、M、N同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極，然后M、N不動(dòng)，A再逐點(diǎn)向左移動(dòng)，又得到另一條滾動(dòng)線，連續(xù)滾動(dòng)下去，得到矩形斷面；MN-B裝置與A-MN裝置的供電電極滾動(dòng)方式一樣，所不同的是方向相反。

2　數(shù)據(jù)處理方法

高密度電阻率數(shù)據(jù)處理工作一般分預(yù)處理、處理和處理結(jié)果圖示三步進(jìn)行。首先，將野外原始觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)中，根據(jù)需要啟動(dòng)相應(yīng)的處理流程進(jìn)行處理；其次，對(duì)地質(zhì)不均勻體、工業(yè)用電等的影響，采用中值空間濾波的方法加以慮除，提高數(shù)據(jù)的信噪比；最后得到反演視電阻率擬斷面圖，并對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)解釋的過程。高密度電阻率法的測(cè)量數(shù)據(jù)在處理方法上采用佐迪方法進(jìn)行二維反演。佐迪法是基于施倫貝爾和溫納法的解釋而提出的。它的原理是通過不斷調(diào)整初始模型參數(shù)使正演曲線與實(shí)際曲線之差達(dá)到最小，由此所得的最終模型參數(shù)作為反演結(jié)果，得到的模型也就作為實(shí)際測(cè)量所得到的地質(zhì)模型。

視電阻率擬斷面圖，可形象、直觀地反映各測(cè)試剖面的地電斷面電性展布趨勢(shì)。通過定性分析可確定地下巖土體的電阻率分布，達(dá)到定量推斷地電斷面，最終確定松散層厚度起伏形態(tài)。

3　實(shí)際應(yīng)用

3.1測(cè)區(qū)地球物理特征

探測(cè)涉及的主要地層為松散砂層和煤系地層，由測(cè)井資料知：松散砂層的電阻率一般為100～500Ω·m，在地表較為干燥的情況下達(dá)幾百甚至上千歐姆米；而煤層以上的侏羅系直羅組上部為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖互層電阻率比較低，一般為40Ω·m左右，下部為粗中粒長(zhǎng)石砂巖，電阻率一般為70～140Ω·m；煤層及煤層頂?shù)装甯浇碾娮杪瘦^高，一般為300～1300Ω·m。這種縱向電性差異為以導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的高密度電阻率法勘探提供了良好的物性基礎(chǔ)。同時(shí)，地層傾角較小，成層狀分布，橫向上電性分布相對(duì)均一。應(yīng)用高密度電阻率法探測(cè)技術(shù)采集兩電極之間的電位差，轉(zhuǎn)換為視電阻率，進(jìn)行半定性和定量處理和反演計(jì)算，可以完成松散層位的標(biāo)定，這就是采用高密度電阻率法探測(cè)松散層的地球物理前提。

3.2工作布置

為探查測(cè)區(qū)內(nèi)松散層的分布情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)情況在該區(qū)內(nèi)沿即將生產(chǎn)的工作面布置測(cè)線若干條，測(cè)線間距40m，測(cè)點(diǎn)間距10m，遇較大沖溝，則測(cè)線不跨溝，由兩側(cè)重新布線。采用三極工作裝置，保證剖面數(shù)不小于20個(gè)剖面，無窮遠(yuǎn)不小于1000m。

3.3資料處理與成果分析

因地表存在風(fēng)積砂和局部基巖出露，電性分布不均勻，可視為淺表不均勻體，對(duì)數(shù)據(jù)有一定影響。另外，局部地形突變位置，會(huì)引起地層中電場(chǎng)的分布，是原始數(shù)據(jù)發(fā)生突變。在視電阻率擬斷面圖中，受淺部不均勻體影響位置出現(xiàn)近45°的“八字”、“掛面條”等畸變現(xiàn)象。采用圓滑處理和中值空間濾波的方法，對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行校正處理，以恢復(fù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)斷面的原有形態(tài)。

經(jīng)過處理并進(jìn)行反演計(jì)算后的視電阻率數(shù)據(jù)，繪制成果斷面如圖2所示（為與J42號(hào)鉆孔相對(duì)應(yīng)，本文選取10線數(shù)據(jù)加以說明），橫坐標(biāo)上軸為測(cè)點(diǎn)布置、編號(hào)及地表起伏形態(tài)，下軸為測(cè)線橫向距離（單位：m），縱坐標(biāo)為高程（單位：m）。

圖2　反演視電阻率擬斷面圖

由圖2可見，煤層近水平發(fā)育，地形起伏較大，小號(hào)測(cè)點(diǎn)端煤層埋藏較淺，如0號(hào)測(cè)點(diǎn)和16、18號(hào)測(cè)點(diǎn)處，最淺約為60m；大號(hào)測(cè)點(diǎn)端煤層埋藏偏深，最深約為90m。反演后的淺部視電阻率值較大，特別是存在松散砂層的區(qū)域，最大達(dá)600Ω·m，等值線呈密集狀態(tài)分布；向下受風(fēng)化巖影響，視電阻率值突然降低，隨進(jìn)入含煤地層，視電阻率值又逐漸增大；在82～90號(hào)測(cè)點(diǎn)之間基巖出露，視電阻率值明顯小于砂層；此種視電阻率變化特征與地層電性較吻合。據(jù)此推斷松散砂層為底界為淺部視電阻率值大于150Ω·m的區(qū)域，即圖中黑色填充區(qū)域，最小厚度0m，位于基巖出露區(qū)域的邊界周圍，最大厚度達(dá)20m，結(jié)果與10號(hào)測(cè)點(diǎn)處的J42號(hào)鉆孔揭露松散層厚度相吻合。

4　結(jié)論

（1）地表以砂層為主的松散層與下伏風(fēng)化基巖、含煤地層，在電性上存在明顯的差異，選擇高密度電阻率法進(jìn)行探測(cè)，并采用中值空間濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用佐迪方法進(jìn)行二維反演，對(duì)松散層厚度進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，為煤礦地質(zhì)工作者提供了直觀的成果圖件，可以作為工作面設(shè)計(jì)、回采和巷道掘進(jìn)前的參考資料，對(duì)具有涌水潰砂危險(xiǎn)區(qū)段提前采取措施。

（2）根據(jù)探測(cè)結(jié)果，高密度電阻率法具有很好的分層效果，在地質(zhì)情況相似的礦區(qū)和類似電性差異較大的地區(qū)，可以選用該方法進(jìn)行探測(cè)。

[1]譚延玲,孫海民,喬麗.高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2006(4):179-180.

[2]劉國(guó)興.電法勘探原理與方法[M].地質(zhì)出版社,2005.

[3] 岳建華,劉樹才.礦井直流電法勘探[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]牟平,霍軍鵬,等.應(yīng)用高密度電阻率法探測(cè)頂板基巖含水層厚度[J].勘探地球物理進(jìn)展,2009(8):297-298.

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1004-5716(2015)07-0109-03

2014-11-30

侯彥威（1983-），男（漢族），河南商丘人，助理研究員，現(xiàn)從事煤礦水文地質(zhì)電磁法勘探技術(shù)的研究工作。