高密度電阻率法在傾斜煤層采空區(qū)探測中研究及應(yīng)用

徐 林, 楊生文, 樂俊波, 戴曉明, 江玉樂

(1.貴州煤田地球物理勘探有限責(zé)任公司,貴陽 550001; 2.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059)

貴州山區(qū)陡傾斜煤層分布于向斜側(cè)翼，一般屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕地貌，海拔高差大，陡傾斜煤層采空區(qū)充填狀態(tài)分為完全充水或泥、底部充水或泥-淺部未充填、完全未充填三類，其與圍巖具有電性差異。高密度電阻率法在陡傾斜煤層采空區(qū)探測中能快速和自動化采集數(shù)據(jù)，且在資料處理階段可對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正，是一種高效、高分辨率的電阻率勘探方法。

1 高密度電阻率法的方法原理

通過連個接地電極(A、B)在地面下施加穩(wěn)恒電流場I，通過測量電極(M、N)測量其電場強(qiáng)度，計算出連個測量電極之間的點(diǎn)位差ΔUMN。通過下式計算視電阻率ρS。

(1)

K值運(yùn)用A、B、M、N集合位置關(guān)系算出，如下式：

(2)

通過改變AB距離和MN距離大小測量計算出的視電阻率值能綜合反映地下電性不均勻體和地形起伏，利用其變化規(guī)律探測和發(fā)現(xiàn)地下的不均勻性，達(dá)到勘探隱伏礦產(chǎn)和解決其他地質(zhì)問題的目的。

2 工區(qū)概況

工區(qū)屬中高山侵蝕地貌、地形切割較深，測線布置區(qū)域最高高程和最低高程相對高差250m，地形起伏較大。地勢較低處地形坡度10°～20°，地勢較高處地形坡度較陡35°～65°。工區(qū)內(nèi)礦井有原NC煤礦、原XWT煤礦、原XN煤礦采掘系統(tǒng)、現(xiàn)XN煤礦采掘系統(tǒng)系統(tǒng)、原公社老窯及小煤窯。

工區(qū)地層為：①三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)：厚445～505m，主要含粉砂巖、泥巖互層，夾條帶狀灰?guī)r。②二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l): 均厚370m，由細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、黏土巖夾煤層組成，單層可采煤層厚度在0.8～2.5m。③第四系(Q)：厚0～15m，以亞黏土為主，夾有碎石，分布在地形低洼地帶，主要為坡積層和洪積層。

工區(qū)構(gòu)造:礦區(qū)位于格木底向斜北翼東段，位于格木底盆形向斜北東翼。礦山整體呈一單斜構(gòu)造，地層走向110°，傾向200°，傾角58°～63°，地層傾角大，局部倒轉(zhuǎn)。Fl斷層位于工區(qū)東部，地表斷層破碎帶明顯，為正斷層，斷層面向西傾斜，傾角75°左右，走向長度大于1.2km。

本次勘探探測圈定和分析拐點(diǎn)坐標(biāo)范圍內(nèi)200m以淺采空區(qū)分布范圍。

3 理論模型正反演實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)相鄰煤礦三側(cè)向電阻率測井曲線統(tǒng)計，煤系地層內(nèi)細(xì)砂巖平均視電阻率值250Ω·m、粉砂巖平均視電阻率值200Ω·m、粉砂質(zhì)泥巖平均視電阻率值150Ω·m、泥巖平均視電阻率值80Ω·m、煤層平均視電阻率值400Ω·m。

根據(jù)各巖性視電阻率值并充分考慮采空區(qū)的垮塌狀態(tài)大于實(shí)際采空區(qū)規(guī)模，建立模型如圖1。設(shè)煤系地層平均電阻率值200Ω·m，地層傾角45°；Ⅰ、Ⅱ號模型底×高為20m×60m、中心埋深80m、傾斜角度為45°，模擬未充填或半充填采空區(qū)，電阻率值為600Ω·m，高于煤層平均視電阻率值。Ⅲ號模型底×高為20m×60m、中心埋深140m、傾斜角度為45°，模擬充水或泥采空區(qū)，電阻率值為20Ω·m，低于泥巖平均視電阻率值；Ⅳ號模型模擬斷層破碎帶及充水或泥采空區(qū)，寬度20m，傾角60°，電阻率值為20Ω·m，小于泥巖平均視電阻率值。地面設(shè)計測線長度為1 000m，采用溫納裝置，設(shè)定電極數(shù)為101，電極距為10m。

圖2為模型電阻率斷面圖。該剖面電阻率值最小值11.73Ω·m，最大值407.9Ω·m，均低于實(shí)際模型電阻率值最小值和最大值。Ⅰ、Ⅱ號高阻模型有明顯反映，異常電阻率值大于250Ω·m，但異常中心位置位于模型頂部且垂向小于實(shí)際模型規(guī)模，Ⅰ號異常走向傾角小于45°，Ⅱ號異常傾向不明顯。Ⅲ號低阻模型反映明顯，電阻率值小于150Ω·m，異常垂向范圍與實(shí)際模型基本吻合，橫向大于實(shí)際模型規(guī)模，異常中心位置相較于實(shí)際模型位置在垂向偏上，異常傾向基本為45°。Ⅱ、Ⅲ號異常體整體與實(shí)際模型整體規(guī)?；疽恢?，傾角接近45°，但兩個異常體之間高低阻漸變。Ⅳ號低阻異常體可以清晰看出斷層或采空區(qū)呈傾斜狀向下延伸，電阻率值小于160Ω·m，其傾斜角度稍大于實(shí)際模型角度，其范圍由淺至深呈增大趨勢，但深部無明顯低阻反映。在埋深30m左右出現(xiàn)一個層狀低阻假異常，在650～680m出現(xiàn)一個高阻垂向團(tuán)塊狀假異常，在680～720m出現(xiàn)一個低阻垂向團(tuán)塊狀假異常，在770～870m出現(xiàn)一個向大號傾斜的低阻假異常。

圖1 斷層及采空區(qū)組合模型地電斷面圖Fig 1 Geoelectric section view of fault and mined-out area combination model

圖2 斷層及采空區(qū)組合模型電阻率斷面圖Fig 2 Fault and mined-out area combination model resistivity profile

高密度電阻率法反演剖面電阻率值范圍與實(shí)際模型電阻率值有差異，其反演的電阻率值受背景電阻率值影響較大，其異常只是相對背景電阻率值的高低阻異常。高密度電阻率法探測到的傾斜煤系地層采空區(qū)實(shí)際位置和空間分布范圍及形態(tài)與實(shí)際有一定差異，在充分結(jié)合地質(zhì)資料的情況下，可以分析出采空區(qū)的形態(tài)和位置。高密度電阻率法在探測過程中會受到電磁耦合影響，反演過程中會受到插值邊界效應(yīng)影響，出現(xiàn)虛假異常，但假異常的走向形態(tài)與實(shí)際地層及異常走向上有差別，可充分結(jié)合地層和目標(biāo)地質(zhì)體產(chǎn)狀加以甄別。高密度電阻率法在探測斷層或往深部延伸的采空區(qū)異常時，淺部分辨率好，深部分辨率較低甚至異常消失，其原因與異常體規(guī)模大小及體積效應(yīng)影響有關(guān)；異常傾向大于實(shí)際目標(biāo)地質(zhì)體走向，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋。

4 高密度電阻率法勘探成果及分析

本次高密度電阻率法勘探按不規(guī)則測網(wǎng)布置24條測線，測線線距為80～170m，點(diǎn)距10m。采用斯倫貝謝裝置，AB/2=15、25、35～405m；MN/2=5、15、25、35、45m。

4.1 剖面成果分析

圖3為3線高密度電阻率法綜合剖面圖。在小號至112m點(diǎn)位、標(biāo)高從1 344～1 225m的P3l地層有電阻率值小于20Ω·m相對低阻異常發(fā)育，為已知原NC煤礦采掘C15、C18及C20號煤層引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。140m至大號點(diǎn)位間、標(biāo)高從地表至1200m為相對低阻，但點(diǎn)號200m有河流經(jīng)過，推斷該段為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育或破碎富水范圍。

圖3 高密度電阻率法勘探3線綜合剖面圖Fig3 Multi-electrode resistivity method for exploration of 3-line comprehensive profile

圖4為7線高密度電阻率法綜合剖面圖。在小號至64m點(diǎn)位、標(biāo)高從1 372～1 250m的T1f、P3l地層有團(tuán)塊狀相對高阻異常發(fā)育，電阻率值大于300Ω·m，為已知現(xiàn)XN煤礦采掘C1號煤層引起，推斷為煤層采動未填充或半填充影響范圍。在97～199m點(diǎn)位、標(biāo)高從1 372～1 246m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于80Ω·m，為原公社煤礦采掘C15、C18、C20、C26號煤引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。在223～262m、標(biāo)高從1 340～1 301m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于20Ω·m，地表調(diào)查為老窯采掘引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。

圖4 高密度電阻率法勘探7線綜合剖面圖Fig4 Multi-electrode resistivity method for exploration of 7-line comprehensive profile

圖5 高密度電阻率法勘探16線綜合剖面圖Fig.5 Multi-electrode resistivity method for exploration of 16-line comprehensive profile

圖5為16線高密度電阻率法綜合剖面圖。在43～171m、標(biāo)高從1 374～1 271m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于12Ω·m，為原XN煤礦采掘系統(tǒng)經(jīng)過區(qū)域，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。在204～285m、標(biāo)高從1 363～1 312m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于12Ω·m，為原XN煤礦采掘系統(tǒng)經(jīng)過區(qū)域，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。在52～83m、標(biāo)高從1 428～1 394m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對高阻異常發(fā)育，電阻率值大于500Ω·m，調(diào)查為老窯采掘引起，推斷為煤層采動未填充或半填充影響范圍。

如圖6。剖面在150m點(diǎn)位附近斜交F1斷層，所以深部低阻的斷層破碎帶發(fā)育范圍較寬。在288～346m、標(biāo)高從1 377～1 332m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于30Ω·m，為原XWT煤礦采掘C61、C65、C69引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。

4.2 推斷采空區(qū)分布

結(jié)合已知采掘工程資料及地表老窯調(diào)查資料，對各條剖面高低阻異常進(jìn)行判斷解釋，圈定采空區(qū)分布圖如圖7，其基本反映了工區(qū)的采空區(qū)分布情況，為礦井防治水及地質(zhì)災(zāi)害成因分析論證提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

圖6 高密度電阻率法勘探23線綜合剖面圖Fig.6 Multi-electrode resistivity method for exploration of 23-line comprehensive profile

高密度電阻率法在實(shí)際應(yīng)用中其高低阻異常發(fā)育范圍基本上能夠反映煤層采掘情況，但其異常規(guī)模與大于實(shí)際目標(biāo)地質(zhì)體規(guī)模，其形態(tài)多為橢圓狀或團(tuán)塊狀，不同于采空區(qū)的長條形狀；探測多層較近煤層采空區(qū)時，不能區(qū)分采空區(qū)屬于哪一開采煤層；探測斷層破碎帶時，異常深部寬度較大，深部分辨率較低。

5 結(jié)論

通過高密度電阻率法的模型模擬試驗(yàn)及在實(shí)際勘探中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

①高密度電阻率法反演的電阻率值受背景電阻率值影響較大，其異常只是相對背景電阻率值的高低阻異常，其高低阻異常發(fā)育范圍基本上能夠反映煤層采掘情況。

圖7 推斷采空區(qū)分布圖Fig.7 Inferred mined-out area distribution map

②高密度電阻率法探測到的傾斜煤系地層采空區(qū)實(shí)際位置和空間分布范圍及形態(tài)與實(shí)際有一定差異，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)資料，分析采空區(qū)的形態(tài)和位置。

③高密度電阻率法在探測過程中會受到電磁耦合影響，反演過程中會受到插值邊界效應(yīng)影響，從而出現(xiàn)虛假異常，但假異常的走向形態(tài)與實(shí)際地層及異常走向上有差異，可充分結(jié)合地質(zhì)資料、采掘工程資料及地表老窯調(diào)查資料進(jìn)行解釋，排除虛假異常。

④密度電阻率法在探測斷層或往深部延伸的采空區(qū)異常時，淺部分辨率好，深部分辨率較低，異常體傾向大于實(shí)際目標(biāo)地質(zhì)體走向，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋。

⑤受體積效應(yīng)影響，異常響應(yīng)范圍往往大于實(shí)際采空區(qū)范圍，相隔較近的采空區(qū)充填狀態(tài)一致時僅能探測到其多個采空區(qū)整體異常。