地面電測深法在待采工作面富水性探測中的應用＊

占文鋒 王 強 王 柱

（1.北京工業職業技術學院建筑工程系，北京市石景山區，100040；2.湖北煤炭地質物探測量隊，湖北省武漢市，430200）

隨著開采水平的延伸和開采范圍的擴大，水文條件變得更為復雜，受水害威脅的程度也更為嚴重。在底板灰巖發育的礦井，可能將深部潛在高壓水導通，危害極大，易發生礦井突水甚至淹井等事故，嚴重威脅煤礦安全生產。因此，準確查明工作面及周邊水文地質條件對工作面水害進行預報，并采取相應的治理措施，從而保證工作面安全開采就顯得尤為重要。

近年來，隨著電法勘探技術的不斷發展，在礦井水探測和防治中得到廣泛應用。直流電測深法作為傳統物探方法，技術成熟，并隨著數據反演技術的不斷發展，逐漸克服了異常體分辨率低的問題，使勘探成果的精度和可靠性有了大幅提高，對回采工作面及其附近富水區探測有較好的效果，在礦井安全生產中起到重要作用。

1 工作區概況

河北康城煤礦采區內大部分被新生界地層覆蓋，基巖出露較少。地層自下而上依次為奧陶系中統 （O2）、石炭系中統本溪組 （C2b）、石炭系上統太原組 （C3t）、二疊系下統 （P1）、二疊系上統（P2）及第四系（Q）。太原組與山西組為主要含煤層，其中太原組含可采及局部可采煤層5層，依次為9＃、8＃、7＃、6＃、4＃煤層；山西組含2～4層煤層，主采2＃煤層。待采1905工作面西鄰1904工作面，走向長826m，傾向寬95m，主采9＃煤層，見圖1。根據附近鉆孔和巷道揭露情況，預測1905工作面所在9＃煤層厚度介于2.0～2.25m 之間，含3～4層炭質頁巖夾矸，層厚0.04～0.3m。9＃煤層直接頂板為下架灰巖或粉砂巖，灰巖厚約0.5m，分布不穩定；粉砂巖平均厚約2.0m，分布穩定。煤層直接底板為鋁土質泥巖，平均厚約10m。

巷道處于掘進之中，需預先查明工作面構造及水文情況，以保障巷道安全掘進與工作面安全回采。根據地表條件選用電測深法，目的在于探測1905工作面范圍內富、積水性；查明9＃煤層底板H1火成巖富水區；查明區內陷落柱及隱伏構造發育情況，并對其富水性進行定性解釋。

圖1 1905工作面及測線布置示意圖

2 電測深原理及勘探區地球物理特征

2.1 電測深基本原理

電測深法是探測電性不同的巖層沿垂向分布的電阻率方法，該方法采用在同一測點上多次加大供電電極距 （AB）的方式，逐次測量電極距 （MN）間視電阻率ρs的變化規律。加大供電電極距AB可以增大勘探深度，因此，在同一測點上不斷加大供電極距所測出的ρs的變化，將反映出該測點下電阻率有差異的地質體不同深度的分布情況。如圖2所示，以地面上的O 點為測點，將AMNB電極以O點為中心，呈左右對稱排列成一直線，當A、B電極供電時，測量M、N 間電位差△UMN及AB回路中電流I，并按式 （1）即可計算O 點下方對應深度范圍內視電阻率ρs。

式中：ρs——視電阻率，Ω·m；

K——裝置系數，隨AB 變化而變化；

I——供電電流，mA；

△UMN——測 量 電 極 M、N 間 電 位 差，mV。

圖2 電測深工作原理

繼續保持O點為中心不動，分別向左右對稱地移動A、B，以擴大A、B間距離，再次測量M、N間的電位差及供電電流，又可以計算出相應的ρs 值。如此繼續擴大AB，便可以算出對應于每個AB的ρs值。對于每個計算出的ρs 值，以AB／2為橫坐標，以ρs 為縱坐標，將每一個AB／2對應的ρs 值點繪在雙對數坐標紙上，并將其連接起來，即得到該測深點的電測深曲線。若一條測線有許多測深點，用上述方法就可以得到每個測深點的測深曲線。這些電測深曲線就是電測深的原始資料，根據這些電測深曲線便可繪出各類電測深定性解釋圖件。

2.2 勘探區地球物理特征

探測區層段為古生界上部石炭系、二疊系和新生界第四系地層，巖性主要由砂質泥巖、砂巖、灰巖及煤層組成。根據上述地層巖性資料，在正常不含水情況下，測區地層淺部新生界地層電阻率較高；其下煤系地層、泥巖及粉砂巖電阻率較低；奧陶系地層電阻率呈逐漸增高趨勢。不同的巖石具有不同的物性特征，構成了電法探勘的物理學基礎。通常情況下，煤系地層沿水平方向沉積基本穩定，橫向電性差異變化不大。但隨著同一層位有斷層或存在富積水區時，其電阻率將會出現明顯變化，此物性差異正是利用電測深法進行勘探的前提。

3 工作方法及資料處理

3.1 方法有效性分析

根據現場地形地物條件和勘探要求，電測深選擇對稱四極裝置。沿工作面走向平行布設4 條測線，測線間距30 m，依次編號為A 線、C 線、E線、G 線；測點間距20 m，測點依次編號為0、20、40、……、500 （見圖1）。測量電極AB／2采用模數為6.25cm 雙對數格內近均勻分布的8個電極距系列，測量電極距MN／2 為供電電極距的1／10。實測時，最大供電電極距AB／2=750 m，最小AB／2=10m，勘探深度大于300m，能夠滿足勘探深度要求，各電測深極距排列見表1。

表1 電測深極距排列表 m

圖3為A 測線0號測點視電阻率曲線，特征點異常明顯，與各主要目的層深度對應。測區內電測深曲線基本為KH 型，各層視電阻率ρ1＜ρ2＞ρ3＜ρ4。由于不同層段厚度和視電阻率差異，導致曲線形態隨之發生變化。K 型曲線首枝段為第四系地層反映，K 型中段曲線拉得較長，表明二疊系地層較厚；K 型尾端低值段為石炭系地層反映；H 型曲線尾枝為奧陶系高阻地層反映。通過分析各測點曲線類型及異常點，可以推斷測區地層分布、斷層位置及其富水性情況。

圖3 A 線0號測點視電阻率曲線

3.2 電測深數據處理方法

直流電測深資料通常利用量板法、S折線法等進行解釋。基于體積勘探效應的影響，傳統方法對一些有用的局部信息進行了圓滑處理，導致對異常分辨率降低，制約了電測深的勘探效果和解釋精度。

本次數據處理基于測深導數法 （K 剖面法），壓制干擾，突出異常信息。各實測曲線經系統整理、初步處理后，根據電測深曲線的形態，對實測電阻率曲線以一定的采樣間隔數字化后的點數作為層數，以數字化后相鄰電極距的差作為層厚，以對應點的視電阻率作為層阻，用阻尼最小二乘法對測深曲線進行一維自動迭代反演計算，然后計算模型參數的改正量，并根據它對初始模型參數進行校正，把校正后的模型參數作為新的初始模型計算新的目標函數，如此反復，直至擬合誤差達到預期精度標準。結合以往區內物探勘查經驗，并與已知地質、鉆孔資料對照，圓滑個別不正常觀測值，通過反復對比，最終以視電阻率ρs 值為主要解釋參數，繪制測區視電阻率等值線剖面圖，見圖4，分析異常。

3.3 成果解釋與驗證

圖4為各測線視電阻率等值線剖面圖，圖中橫坐標為測點水平距離，縱坐標為標高。剖面顏色從黑色～灰色～白色漸變，代表視電阻率由低～較高～高的漸變過程。圖中實線表示9＃煤層底板界面，虛線表示9＃煤層頂板界面，雙點劃線表示H1火成巖界面。富水區段在剖面圖上表現為視電阻率相對低的特征，視電阻率等值線呈現為低阻圈閉或低阻條帶，富水性越強的地段視電阻率值相對越低。根據測區地電條件，小于110Ω·m 的區域劃分為強富水區，大于110Ω·m 小于120Ω·m 的區域劃分為弱富水區，據此對測區富水分布情況進行解釋推斷。

圖4 A、C、E、G 測線視電阻率剖面圖

縱向上由淺到深視電阻率基本呈現由中低～高～中高的電性特征。上部為中低阻反映，自上而下逐漸增大，反映了不同地層的電性變化規律。新生界地層為低電阻反映；中部高阻段為二疊系地層的反映；下部中高阻段為石炭系地層反映。當巖層富水性強時，視電阻率曲線呈現局部低電阻不均勻體反映。在視電阻率剖面圖上，視電阻率等值線向下凹陷，表現為 “兩高夾一低”的特征。

橫向上，圖4 （a）中主要異常位于0～40 m之間，視電阻率呈低阻反映，說明此部位富水性較強，為富水區反映。圖4 （b）中主要異常位于20～80m、120～160m 之間，視電阻率曲線急劇變化，向下凹陷呈低阻反映，為富水區反映。圖4（c）中主要異常區位于360～400 m、460～500 m之間，呈低阻反映，推測為富水區。圖4 （d）中主要異常則位于180～300m、380～400m、480～500m 之間，呈低阻反映，推測為富水區反映。

4 目標層富水性分析

在確定某一層位富水區時，首先依據富水區在視電阻率順層切片圖上的表現特征，對有異常反應的區域在平面位置上進行圈定和組合，初步確定富水異常區的范圍；然后與視電阻率剖面圖進行對比分析，進一步確定富水區的分布范圍及賦存形態，并結合地質、水文成果做對應綜合分析，確定富水異常區的分布規律；最后通過對全區地質資料及繪制的各種圖件進行綜合分析、研究、對比，劃定各層位的富水異常區，繪制出各目標層的富水區分布圖。根據測區9＃煤層底板標高線，并參照測區地質和水文資料，對9＃煤層頂、底板及H1火成巖底界面制作視電阻率順層切片，見圖5，圖中黑色陰影區域為富水區。

圖5 1905工作面視電阻率三維立體圖

圖5中 （a）部分為9＃煤層頂板富水區分布圖，9＃煤層頂板裂隙含水層主要由下架灰巖或粉砂巖組成，膠結較松散，裂隙較發育。從圖中可以看出，測區共有4個富水異常區。其中，西南部和東北部富水區相對較多、較集中，中部有一個富水區分布。圖5中 （b）部分為9＃煤層底板富水區分布圖，與頂板相差不大，共有3個富水異常區。圖5中 （c）部分為H1火成巖底界面富水區分布圖，共有5個富水異常區。

從已知水文地質資料看，測區內影響開采的主要地下水類型為頂板的大青灰巖、粉砂巖含水層及H2火成巖含水層，底板的H1火成巖含水層。煤層頂底板裂隙水是煤層開采的直接充水水源，由于砂巖或火成巖裂隙的發育，一般富水性強，但不均一。從地面電法勘探的成果來看，各目的層富水不均一，但沿層位水力聯系較強。從三維立體圖上看，測區主要的富水區集中在西南角及東北角，且上下水力聯系較強。根據解譯結果設計ZK1、ZK2、ZK3三個鉆孔進行驗證，結果顯示電測深成果與鉆探揭露情況對應較準確。巷道掘進或工作面回采時，建議針對圈定的低阻異常區段，開展超前探查工作，以確保工作面安全回采。

5 結論與建議

本次測線、測點位置準確，誤差在0.5 m以內。結合已知地質、水文資料，對地面電法勘探資料進行了綜合處理、分析、解釋，物探異常可靠，獲得的主要認識如下：

（1）9＃煤層頂板圈定了4 個富水異常區，富水總面積約為4400m2，主要集中于測區西南部及東北部；9＃煤層底板圈定了3 個富水異常區，富水總面積約為2000m2，主要集中于測區西南角及東北角；H1火成巖圈定了5 個富水異常區，富水總面積約為5400m2，主要集中于測區東北角及中部。總體而言，測區西南部及東北部富水性相對較強，局部富水異常區較明顯，反映富水具有不均一性特點。

（2）測區內影響開采的主要地下水類型為頂板大青灰巖、粉砂巖含水層及H2火成巖含水層、底板H1火成巖含水層。煤層頂底板裂隙水是煤層開采的直接充水水源。由于砂巖或火成巖裂隙發育，一般富水性強，但不均一。依據電法勘探成果，各層富水異常區位置具有一致，顯示在垂向上有一定的水力聯系。

（3）建議對富水區引起足夠的重視，隨著開采的進行，將破壞地下水原始的平衡狀態，使上下地層之間的水力聯系加大。隨著礦井生產的推進，需對上、下富水區的聯系做深入細致的分析和研究，巷道掘進或工作面回采時，針對圈定的低阻異常區段，開展相應的超前探查工作，及時采取有效措施，防止水患發生。

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