高密度電法應(yīng)用于煤礦地下積水采空區(qū)探測的數(shù)值模擬可行性分析

孫誠業(yè),陳 亮,魯瑞君

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊065000；2.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北廊坊065000)

我國是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，煤炭消費(fèi)量占到能源消費(fèi)總量的50%以上，因此，煤炭在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中做出了重要貢獻(xiàn)[1]。伴隨著能源工業(yè)對煤炭需求量的快速增加，很多地區(qū)出現(xiàn)了超量采煤的現(xiàn)象[2]，且治理欠缺，不斷擴(kuò)大了煤礦采空區(qū)和沉陷區(qū)的面積，造成地表大面積沉陷，地面建筑物和生活基礎(chǔ)設(shè)施被嚴(yán)重破壞，同時也威脅到礦井采掘工作人員的人身安全[3]。因此，探測煤礦采空區(qū)的分布和積水情況，為采空區(qū)治理提供重要數(shù)據(jù)，可有效消除采空區(qū)給工程帶來的安全隱患，具有極大的社會效益[4]。

目前，查明地電結(jié)構(gòu)中煤礦地下積水采空區(qū)的方法可以分為地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測和鉆探3類[5]。地質(zhì)調(diào)查具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但是精度不高[6]；地球物理探測具有速度快和精度高的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是存在多解性[7]；鉆探精度較高，但是費(fèi)用較高且無法準(zhǔn)確判定大面積采空區(qū)的范圍[8]。目前應(yīng)用最為廣泛的是地球物理探測技術(shù)。張建鋒等[9]應(yīng)用高密度電法很好地反映了地下空洞的存在；謝偉[10]采用高密度電法探測煤層頂板富水異常區(qū)，結(jié)果在得出的視電阻率擬斷面圖中發(fā)現(xiàn)了3處低阻異常區(qū),打鉆驗證和放水作業(yè)的結(jié)果與高密度電法探測的結(jié)果相吻合,驗證了該區(qū)域基巖層存在富水構(gòu)造區(qū)域及其分布情況。此外，還有眾多研究者應(yīng)用高密度電法成功預(yù)測出采空區(qū)分布范圍、富水性和空間分布。但是，目前關(guān)于高密度電法在采空區(qū)探測方面的研究大部分都限于現(xiàn)場應(yīng)用，針對探測采空區(qū)的數(shù)值模擬研究較少，同時采空區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜、地球物理技術(shù)又具有多解性以及受到分辨率的限制等，采空區(qū)物探工作研究需要不斷持續(xù)進(jìn)行。為此，筆者基于高密度電法正反演計算的角度，對煤礦地下積水采空區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用數(shù)值模擬對采空區(qū)進(jìn)行正反演計算，總結(jié)地電響應(yīng)特征，為系統(tǒng)性研究高密度電法對煤礦地下積水采空區(qū)探測效果提供參考。

1 研究區(qū)概況

探測礦場是由較多的老礦井整合形成的，地形起伏較大，屬于侵蝕山體地貌。礦井開采標(biāo)高為1600m左右。主采煤層開采標(biāo)高約為1400m，頂部巖層為泥質(zhì)砂質(zhì)頁巖，巖組腐蝕性和透水性均較好，基巖裂隙含水量較多，為中等富水性裂隙含水層。該層下距采煤層35m，煤層開采受到采空裂隙導(dǎo)通的影響較大，造成涌水量上升的可能性較大。層底部為灰綠色拉斑玄武巖、灰色凝灰質(zhì)角礫巖，富水性極弱。礦方經(jīng)過實地調(diào)查后圈定了采空區(qū)分布的大概范圍，但是具體范圍和邊界存在偏差，且積水情況也不清楚。此外，煤礦生產(chǎn)也受到主采煤層附近含水層的嚴(yán)重威脅。因此，急需探測采空區(qū)的具體位置和積水情況。

2 研究原理

高密度電法具有高分辨率、低成本和高效率等優(yōu)勢，原理是利用測點(diǎn)處的電位差，通過建立人工電場，得到測點(diǎn)處某深度范圍的巖土視電阻率，從而判斷出地質(zhì)異常體的規(guī)模和部分等。煤礦采空區(qū)屬于三維地質(zhì)體且具有一定規(guī)律，圍巖塌陷和地下含水層等因素都會對其直接產(chǎn)生影響。未充填采空區(qū)底板標(biāo)高比地下水位線標(biāo)高更高，具有明顯的高阻低極化特征，電性與圍巖不同；填充采空區(qū)的底板標(biāo)高比地下水位線標(biāo)高更低，受到水動力作用的影響，采空區(qū)被淤泥充填，呈現(xiàn)出低阻高極化特征。這種明顯的電性差異可以為高密度電法的應(yīng)用提供前提。

3 建立采空區(qū)地電模型

為證實高密度電法應(yīng)用于探測煤礦采空區(qū)的可行性，并總結(jié)地電響應(yīng)特征，建立采空區(qū)地電模型：覆蓋層（80Ω·m）、泥巖層（150Ω·m）、煤層（300Ω·m）、砂巖層（500Ω·m）、采空含水層（10Ω·m）、采空未填充區(qū)（100000Ω·m）。如圖1所示。

圖1 地電模型

有限元方法具有簡單、高效、計算速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，計算結(jié)果更接近真實情況，因此，此次數(shù)值模擬計算采用有限元方法。首先，根據(jù)有限元方法對圖1地電模型進(jìn)行正演計算，然后根據(jù)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并得到視電阻率剖面圖（圖2）。對比采空區(qū)地電模型可知，高密度電法可以很好地反映出正常煤層視電阻率無異常，采空區(qū)含水時為低阻、不含水時為高阻。因此，高密度電法應(yīng)用于探測含水采空區(qū)具有較高的精度。

圖2 正反演視電阻率圖

4 探測實例

4.1 測線布置

為有效探測煤礦地下采空區(qū)的積水分布情況，并達(dá)到底部100m以上深度，根據(jù)高密度電法對深度解釋的公式，并綜合考慮地形和地貌，共布置6條測線。其中，1、2、3、4 線為橫向測線，勘測長度2400m；5、6 線為縱向測線，勘測長度1200m。布極測量采用溫納α裝置，測線2與5、6垂直穿越礦方圈定的位置范圍。

4.2 數(shù)據(jù)處理

將實際測得數(shù)據(jù)中的畸變點(diǎn)剔除，并進(jìn)行地形校正，然后再進(jìn)行反演，最終得出視電阻率反演圖。圖3中虛線部分為低阻異常區(qū)。

4.3 地質(zhì)解釋

根據(jù)地質(zhì)、水文和采掘的信息，結(jié)合采空區(qū)地電響應(yīng)特征和視電阻率變化特征，按照先簡單后復(fù)雜、先已知后未知的原則對得到的反演資料進(jìn)行推斷。

（1）推斷。橫向側(cè)線（圖3）共圈定出低阻異常區(qū)5處，由于1線穿越地表溝渠，綜合考慮采掘資料并根據(jù)已知的地質(zhì)水文資料，推測1線圈定的2處低阻異常區(qū)可能是由于底部裂隙構(gòu)造帶含水導(dǎo)致的，而3線圈定的1處低阻異常區(qū)的地表是露天水體淤積，推測主要是由于上部水塘下滲導(dǎo)致裂隙構(gòu)造帶含水導(dǎo)致的。結(jié)合礦方圈定的采空區(qū)大概分布范圍，由反演結(jié)果可看出2線共圈定2處低阻異常區(qū)，分別位于測線長度910～980m和1440～1580m位置，深度高程分別位于1410～1500m和1460～1520m，這與礦方初步圈定的范圍較為吻合，同時，結(jié)合數(shù)值模擬中積水采空區(qū)的視電阻率異常特征等綜合考慮，推斷為老窯積水采空區(qū)。此外，從圖4中可看出，低阻異常區(qū)6和低阻異常區(qū)8均對應(yīng)于地表水渠位置，與圖3中1線圈定的2個低阻異常區(qū)對應(yīng)，這就可以印證1 線2 處低阻異常區(qū)的可靠性。同時，2 線上存在的2處低阻異常區(qū)分別與5線和6線上相應(yīng)位置均表現(xiàn)為低阻異常區(qū)，即為2線上體現(xiàn)的低阻異常區(qū)3和低阻異常區(qū)4分別與5線上體現(xiàn)的低阻異常區(qū)7和6線上體現(xiàn)的低阻異常區(qū)9相對應(yīng)。綜合考慮數(shù)值模擬采空區(qū)地電響應(yīng)的特征并結(jié)合已知的水溫和采掘資料，推斷2線上體現(xiàn)的低阻異常區(qū)是由于老窯采空積水導(dǎo)致的，積水頂部距離地面深度約110m左右。

圖3 橫向測線1～4線反演剖面圖

圖4 縱向測線5、6線反演剖面圖

（2）驗證。為進(jìn)一步對上述推斷的正確性進(jìn)行驗證，礦方根據(jù)該研究得到的結(jié)果，針對橫向側(cè)線2線體現(xiàn)的較大范圍的低阻異常區(qū)4區(qū)內(nèi)進(jìn)行了鉆探驗證，鉆探結(jié)果表明，在鉆孔鉆進(jìn)深度108m 處有出水，此處主采煤層已積水，且已空，與高密度電法探測的推斷較為吻合，根據(jù)該研究結(jié)果和實際鉆探結(jié)果，礦方對此處采空區(qū)進(jìn)行了注漿。

5 結(jié)論

（1）對數(shù)值模擬進(jìn)行正反演計算，詳細(xì)分析并總結(jié)了煤礦地下采空區(qū)不同填充體的地電響應(yīng)特征，為煤礦地下采空區(qū)的探測和分析提供了理論依據(jù)。

（2）該研究結(jié)合實例采用高密度電法探測了老舊煤礦地下采空區(qū)，取得了良好的效果，精確刻畫出了積水采空區(qū)的位置和范圍，并進(jìn)一步經(jīng)過鉆探驗證了高密度電法探測的結(jié)果是可靠的，為礦井開采的安全方面提供了有效的參考。