綜合物探方法在煤礦老空水及其涌出通道探測中的應(yīng)用研究

盧向星 孫 旭 李仁杰

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

我國的一些礦產(chǎn)資源由于開采后未進(jìn)行有效的采空區(qū)處理，造成了大量的巷道和采煤空間隱伏于礦區(qū)的現(xiàn)象[1]。由于地下水加上地表水作用，大量的水體會積聚于采空區(qū)之中形成老空水。這些水體不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更會影響生態(tài)和人類正常生存環(huán)境，甚至?xí){生命財產(chǎn)安全[2]。因此，老空水的探測與治理工作已經(jīng)是亟須解決的問題。地球物理方法因其經(jīng)濟(jì)、快速、無損的特點(diǎn)，已在資源勘查、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[3]。而單一的物探方法都有各自的局限適用條件，加上采空區(qū)的地電條件復(fù)雜，難以準(zhǔn)確探測采空區(qū)分布范圍、空間展布特征以及廢水流通方向，因此，開展綜合物探方法探測顯得更為重要。

針對老空區(qū)的精確探測，傳統(tǒng)方法是利用地面鉆探劃定老空水的三線，進(jìn)而確定積水區(qū)位置[4]。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，老空區(qū)探測技術(shù)得以長足發(fā)展，其中，地球物理方法因其快速、無損特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。而老空區(qū)的低電阻特征為地球物理方法查明采空區(qū)展布及富水提供了有利條件。地面綜合物探中，高密度電阻率法是一種對低阻相對敏感的方法，可有效確定采空區(qū)的具體位置及積水情況。例如陳曉春[5]等人利用高密度電阻率法劃定了煤層地表覆蓋厚度及圈定了地下采空區(qū)及其富水性情況。孫飛[6]等人通過高密度電法結(jié)合鉆掘勘探結(jié)果探測隱伏于礦區(qū)之下的采空區(qū)具體位置，為煤礦礦山采空區(qū)地質(zhì)勘探和處理提供了數(shù)據(jù)支持。

僅僅查明采空區(qū)的積水范圍是不夠的，由于早期開采范圍不明的老空水以及開采廢棄的采空區(qū)，破壞了原有的地下水補(bǔ)給排泄通道，在地質(zhì)條件發(fā)生變化時極易引發(fā)老空水涌水問題，在地表造成一定的污染[7-8]。因此，探明地表涌水的滲流通道是老空水探測中的一個重要環(huán)節(jié)。物探方法中的充電法因其操作方便且效果顯著，常用于水流通道的確定。例如：何公民[9]等人利用充電法對老窯井口充電，探測老窖采空區(qū)的積水通道，并繪制了電位剖面圖。李黔西[10]等人利用充電法確定了巖溶裂隙發(fā)育情況及其平面分布位置圖。

本文針對貴州省麻江縣擺沙河流域煤礦采空區(qū)積水涌出造成的周邊環(huán)境污染問題，采用高密度電阻率法和充電法查明采空區(qū)分布范圍、采空區(qū)積水情況及滲水通道位置。通過分析兩種方法的聯(lián)合探測結(jié)果，為煤礦廢水的綜合治理提供一定參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于貴州省黔東南苗族侗族自治州麻江縣擺沙河流煤礦礦山殘留的巷道密集區(qū)。區(qū)內(nèi)高山分布，中間區(qū)域以大面積田地為主，總體風(fēng)化程度較高。場地內(nèi)覆蓋層主要有耕植土、黏土等第四系土層。分布的基巖主要為灰?guī)r，屬于巖溶發(fā)育地區(qū)。研究區(qū)有一處涌水點(diǎn)，位于測線L1 南側(cè)，涌水點(diǎn)周圍為農(nóng)田，北側(cè)為一條公路，表層為耕植土覆蓋，涌水呈線流狀、小股狀，水中附帶泥沙呈黃褐色。

圖1 研究區(qū)地理位置及測線位置

2 裝置工作原理

2.1 高密度電阻率法原理及測線布置

高 密 度 電 阻 率 法（Electrical Resistivity Tomography，簡稱ERT，以下簡稱高密度電法）是以探測區(qū)域巖（礦）石及地下水等介質(zhì)導(dǎo)電性能的差異為基礎(chǔ)，分析在穩(wěn)定的電流場作用下地質(zhì)體中電流傳導(dǎo)分布的規(guī)律，并對相應(yīng)區(qū)域的地質(zhì)問題提供物理性勘探的方法[11-12]。測量時，通過供電電極AB 向地下供電，測量電極MN 測量電位差ΔUMN，通過式（1）得到地下介質(zhì)的視電阻率ρs。

式中：K為裝置系數(shù)，其大小與電極間距有關(guān)，表達(dá)式如式（2）所示。

高密度電法采用組合式電極排列，裝置結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，測量方式通常以多電位測量為主，即溫納裝置、偶極裝置、微分裝置等。相較于傳統(tǒng)電阻率法，高密度電法觀測點(diǎn)密度更高，電極布設(shè)一次性完成，通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距，從而完成數(shù)據(jù)的快速采集[13]。一次布設(shè)可以獲取大量原始數(shù)據(jù)，完成二維橫向及縱向的勘探過程，既能反映沿水平方向巖土體的電性變化，又能提供地層巖性隨著深度的縱向電性變化。對某一極距而言，其結(jié)果相當(dāng)于電阻率剖面法，而對同一記錄點(diǎn)處不同極距的觀測又相當(dāng)于一個測深點(diǎn)，所以高密度電阻率法實際上就是電阻率剖面法和電阻率測深法的綜合[14]。

圖2 裝置觀測原理圖

根據(jù)研究區(qū)巖溶發(fā)育情況和地質(zhì)地形條件，本次高密度電法測線沿巷道密集區(qū)（近東西向展布）進(jìn)行布設(shè)，共布設(shè)1 條高密度電法測線，電極距設(shè)置為5 m，電極數(shù)60 道，測線總長295 m。結(jié)合溫納裝置和斯倫貝謝爾對地質(zhì)體垂向及橫向有著適度的靈敏度，成本低，效率高，反映地電、地質(zhì)信息更豐富、更直觀，利于進(jìn)行縱向的分層及橫向的分帶，且數(shù)據(jù)覆蓋程度好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，對接地電阻要求較低的特點(diǎn)，本文采用溫納裝置和斯倫貝謝爾裝置進(jìn)行觀測。

2.2 充電法原理及測線布置

充電法是一種以地下巖、礦石導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)的傳導(dǎo)類人工電場法[15]。其利用高礦化度的地下水與地下巖石電阻率的差異，通過向露頭充電的方式來觀測其充電電場的分布，便可據(jù)此推斷出高礦化度地下水的分布情況[16]。

充電法常用觀測方式主要有電位法、電位梯度法和直接追索等位線法。其中，電位梯度法工作時將測量電極M 和N 保持一定距離(通常為1～2個測點(diǎn)距)，沿測線一起移動，逐點(diǎn)進(jìn)行電位差ΔUMN。計算點(diǎn)位梯度：ΔUMN/IMN，電位梯度法的測量結(jié)果一般記錄在MN 中點(diǎn)，通過電位梯度值有正有負(fù)，根據(jù)電位梯度曲線零點(diǎn)及正負(fù)變化點(diǎn)確定良導(dǎo)體位置[17]。該方法優(yōu)勢在于探測結(jié)果的正負(fù)值過渡位置，對地下水的反應(yīng)較為靈敏，能比較準(zhǔn)確明顯地對地下水流進(jìn)行定位，故本文選擇電位梯度方式進(jìn)行充電法測量。

本次研究通過向落水洞中加入大量食鹽，使水的電阻率大大降低，從而接近理想導(dǎo)體，再以落水洞為充電點(diǎn)，開展充電法的工作。根據(jù)煤礦開采區(qū)域的分布特征及地形的變化特征，地表產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象，本次研究共布設(shè)了3 條充電法的測線。測線沿著巷道密集區(qū)，涌水點(diǎn)北側(cè)布設(shè)L1、L2、L3號測線，走向近東西向，設(shè)置測點(diǎn)距統(tǒng)一為2 m，L1、L2、L3 測點(diǎn)數(shù)分別為20、15、20，測線總長分別為38 m、28 m、38 m。

3 探測結(jié)果分析

3.1 采空區(qū)范圍分布的確定

老空區(qū)由于積水富集，與圍巖電阻率存在顯著差異，導(dǎo)致電性結(jié)構(gòu)和影像特征變化較為明顯，以及場地的良好條件，為高密度電阻率法的應(yīng)用提供了有利條件。在研究區(qū)內(nèi)巷道密集區(qū)布設(shè)的高密度電法測線主要沿東西向展布，經(jīng)數(shù)據(jù)采集及反演處理后得到圖3 所示結(jié)果。其中圖（a）、（b）分別為溫納、斯倫貝謝爾裝置的反演電阻率剖面。

圖3 橫剖面反演結(jié)果圖

由圖3（a）所示的溫納裝置反演結(jié)果圖可以看出，測區(qū)電阻率分布較為均勻，普遍存在一個表層較高、下伏地層較低的特性，且高阻分布的范圍較為單一。高阻異常主要集中在測線水平距離160～260 m、深度15～35 m 的中深部區(qū)域，電阻率普遍大于3000 Ω·m，推測該處為比較完整的基巖層，且含水量較低。在測線160 m 往后的里程，存在埋深0～20 m 左右的條帶狀開放式低阻區(qū)域，但是在埋深超過20 m 的下伏區(qū)域的電阻率較高，結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)場情況，該部分測線經(jīng)過田地，表層土體含水率較高，影響了該部分區(qū)域的電阻率值，導(dǎo)致低阻異常。

從斯倫貝謝爾裝置反演結(jié)果中（圖3b）看出，高阻區(qū)主要分布在測線右側(cè)200～260 m 區(qū)域，埋深大于12 m。低阻區(qū)主要分為兩個部分，一部分分布在測線水平距離160 m 之后的淺層區(qū)域，另一部分分布在水平距離80～180 m、埋深20～35 m 處，深度較大，且呈現(xiàn)低阻圈形式。斯倫貝謝爾裝置的低阻異常體位置與溫納裝置相吻合。

結(jié)合兩種裝置反演圖綜合分析，在測線里程160～260 m、埋深15～35 m 處，存在明顯的層狀分布的高阻區(qū)域，且隨著深度的增加，電阻率值也愈來愈大，推斷這部分巖體為巖性強(qiáng)度較高、風(fēng)化程度低的基巖部分。在測線里程80～160 m、埋深30～50 m 處，圈定區(qū)域存在低于耕地引起的低電阻區(qū)域，且埋深較大，范圍更廣，低阻連續(xù)性較強(qiáng)，結(jié)合該處地質(zhì)條件，推測該異常區(qū)域可能為下方大面積采空區(qū)所引起，且采空區(qū)造成了一個向四周發(fā)展的透水裂隙，在橫向以及縱向上引起一個較大范圍的低阻異常情況，為老空水的流動提供了優(yōu)勢通道。

3.2 滲水通道位置的確定

本次充電法測線均布設(shè)于工作區(qū)巷道密集區(qū)東側(cè)，沿西南-東北方向分別布設(shè)在田邊房屋西面、涌水點(diǎn)的北側(cè)。采用電位梯度法進(jìn)行觀測后，將結(jié)果繪制為如圖4 所示的電位梯度曲線。

圖4 充電法觀測結(jié)果圖

由圖可知，三條曲線均存在正負(fù)電位梯度值的過渡點(diǎn)，即y 軸0 點(diǎn)位置，該點(diǎn)為代表該剖面老空水排泄通道的位置。其中L1 約在14～15 m 內(nèi)出現(xiàn)電位正負(fù)值過渡情況，推測該位置為地下水流通道位置。同樣，L2 線電位正負(fù)值過渡位置約在16 m，而L3 線約在14 m 出現(xiàn)水流通道。結(jié)合測線的布置情況分析以及涌水點(diǎn)位置，可以推斷三條測線圈定的正負(fù)電位過渡點(diǎn)偏轉(zhuǎn)方向微弱，基本位于同一直線上，說明該涌水點(diǎn)的北側(cè)存在與水源相通的水流通道。綜合高密度電阻率反演剖面及充電法結(jié)果推斷該點(diǎn)涌水的滲流通道與老空區(qū)有所關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)論

1）煤礦開采過后造成大量空腔的出現(xiàn)，而積水聚集會導(dǎo)致老空水區(qū)域出現(xiàn)低阻異常。根據(jù)高密度電阻率法的溫納裝置和斯倫貝謝爾裝置反演結(jié)果可以看出，該煤礦最大采空區(qū)位置位于測線水平距離80～160 m 范圍內(nèi)，最大埋深超過40 m，受到煤礦廢水低阻作用影響，在電阻率剖面圖中主要以電阻率低于145 Ω·m 的低阻體呈現(xiàn)。

2）選擇充電法中的電位梯度法對該煤礦開采區(qū)域內(nèi)的地下水流通通道進(jìn)行圈定，得出的涌水點(diǎn)通道主要位于研究區(qū)北側(cè)，推測是由于采空區(qū)長時間的地下水匯集作用，加上當(dāng)?shù)貜?fù)雜的巖溶條件，且滲水通道與涌水點(diǎn)連通，導(dǎo)致大量的老空水進(jìn)入通道產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。

3）綜合分析高密度電阻率法、充電法結(jié)果，劃定了老空區(qū)的具體位置及展布情況，確定了地下水流通道的空間分布特征。充電法的電位梯度曲線圖和高密度反演斷面圖相互驗證，可以查明老空水的位置，對流通通道進(jìn)行疑點(diǎn)提示，對采空區(qū)位置及滲水通道進(jìn)行定性分析，取得較為顯著的效果。