強(qiáng)電磁影響區(qū)淺埋多層采空積水區(qū)探測(cè)技術(shù)★

李雄偉 馬炳鎮(zhèn)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

陜北神木礦區(qū)煤田主要為侏羅系含煤地層，其通常具有煤層沉積穩(wěn)定，埋深較淺、產(chǎn)狀平緩等特征。由于早期煤礦開采缺乏科學(xué)規(guī)劃和有效管理，加之生產(chǎn)技術(shù)裝備水平低和生產(chǎn)工藝落后，多采用巷采或房柱式開采，形成的采空區(qū)無序、不規(guī)則，且破壞面積較大，因粗放、無序的采煤方式歷時(shí)較長(zhǎng)，大多數(shù)煤礦均形成了多層采空區(qū)，其在長(zhǎng)期大氣降水及上層含水層水補(bǔ)給下，匯集形成采空積水區(qū)，對(duì)下層煤的安全開采構(gòu)成較大威脅。因此，需對(duì)埋藏淺、危害大、多層無序的積水采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，考慮到地表有多條高壓電力線路分布，電磁環(huán)境復(fù)雜，需選擇合適的探測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)淺埋多層采空積水區(qū)的有效定位探測(cè)。該地區(qū)地表為風(fēng)積沙地貌，地形大多較為平坦。恒流源高密度電阻法，受強(qiáng)電磁干擾影響小，且對(duì)埋藏較淺的目標(biāo)體有較好的探測(cè)效果。該方法外業(yè)施工中要對(duì)埋設(shè)的電極進(jìn)行重點(diǎn)處理，使電極與大地接觸良好，且各電極間接地電阻值均勻，以保證獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量；再通過反演實(shí)現(xiàn)分層定位，對(duì)多層目標(biāo)體探測(cè)較為有效。

1 隱蔽水害產(chǎn)生過程

淺埋含煤地層多層采空積水，其層狀地質(zhì)模型如圖1所示，依據(jù)鉆孔揭露，由淺至深地層分別為第四系砂層、新近系紅土層、基巖風(fēng)化層、含煤地層。淺部煤層采用巷采或房柱式進(jìn)行采掘，采動(dòng)后長(zhǎng)期接受大氣降水、上部地層水的下滲補(bǔ)給，形成不同規(guī)模的采空積水區(qū)，因采煤方式為巷采或房柱式，上、下層采空頂板垮落有限，通常不會(huì)連通，相互獨(dú)立。近年來，由于煤炭資源的整合，采煤方式升級(jí)為機(jī)械化綜采，下伏煤層回采時(shí)，上覆基巖形成冒落裂縫帶，可導(dǎo)通上部采空積水區(qū)，當(dāng)上覆采空積水量較大時(shí)，便形成嚴(yán)重的突水事故。

2 探測(cè)技術(shù)

高密度電阻率法是對(duì)常規(guī)電阻率法在技術(shù)上的一次升級(jí)，其原理完全一致，均通過人工建立穩(wěn)定電場(chǎng)，在地面觀測(cè)場(chǎng)的變化特征，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)成果解譯。它采用了多電極、高密度一次布設(shè)，實(shí)現(xiàn)了跑極與數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。其主要優(yōu)點(diǎn)為：第一，電極一次布設(shè)完成，測(cè)量過程中自動(dòng)跑極，避免了因電極移動(dòng)引起的干擾和誤差，保障了數(shù)據(jù)質(zhì)量；第二，提升了工作效率，使施工成本降低。

施工技術(shù)保障措施：

1)埋設(shè)電極時(shí)挖坑最好至潮濕砂層，打入電極，澆筑飽和鹽水，再回填沙土防止風(fēng)干，要求接地電阻不大于3 kΩ，以保障電極與大地接觸良好的目的；

2)測(cè)線盡可能選擇在地形相對(duì)平坦區(qū)，若有高壓線分布，應(yīng)避開高壓線鐵塔基座，減少接地電影響，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；

3)測(cè)量定點(diǎn)時(shí)精度要高，以保證電極等間距布設(shè)；

4)無窮遠(yuǎn)直線距離至少大于最大極距的5倍；

5)最大跑極極距應(yīng)保證接收電位差大于1 mV。

3 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理與其他物探方法相類似。首先要對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不合格數(shù)據(jù)；再整理成處理軟件所需的格式，對(duì)受干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，濾除或較大程度上壓制噪聲，恢復(fù)信號(hào)應(yīng)有的規(guī)律；最后通過反演計(jì)算工作，再結(jié)合地質(zhì)、鉆探及采掘等資料進(jìn)行綜合解釋。

3.1 干擾校正處理

對(duì)于受到干擾的數(shù)據(jù)要進(jìn)行校正，避免因干擾的存在而使后期的解釋中出現(xiàn)假異常現(xiàn)象，使其回歸應(yīng)有的變化規(guī)律。本文根據(jù)已知地質(zhì)條件，采用多點(diǎn)圓滑、距離加權(quán)濾波的方法對(duì)受干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理(如圖2所示)，處理后的數(shù)據(jù)變化較為均勻，基本符合地層電性的分布規(guī)律，為后期的資料分析解釋奠定了基礎(chǔ)。

3.2 反演與層位標(biāo)定

數(shù)據(jù)反演采用帶地形的二維反演迭代進(jìn)行，它基于有限元法和最小二乘法。首先根據(jù)原始數(shù)據(jù)構(gòu)建初始的二維地電模型，利用有限元法計(jì)算模型響應(yīng)并與原始數(shù)據(jù)比較，相差較大時(shí)則根據(jù)一定的規(guī)則修改模型并重新計(jì)算模型響應(yīng)，通過一步步迭代使模型的響應(yīng)逼近原始數(shù)據(jù)，當(dāng)兩者方差很小時(shí)即可結(jié)束反演。根據(jù)由地質(zhì)和鉆孔資料確定的地質(zhì)模型，調(diào)整反演技術(shù)參數(shù)，確定目標(biāo)地層深度，完成視電阻率—深度斷面圖反演，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)目標(biāo)層位的標(biāo)定。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 概況及地球物理特征

探測(cè)區(qū)地表大部分區(qū)域?yàn)榈谒南碉L(fēng)積砂層覆蓋，地形較為平坦。區(qū)內(nèi)有多條高壓輸電線沿勘探區(qū)走向分布，電磁環(huán)境復(fù)雜。已采動(dòng)的4-2煤層及5-2煤層均為侏羅系延安組含煤地層，4-2煤層位于延安組上段，埋深變化約在40 m～60 m之間，平均厚度為1.91 m；5-2煤層位于延安組中段，埋深約80 m～100 m，平均厚度為2.49 m。采煤方式為巷采或房柱式，現(xiàn)已積水。設(shè)計(jì)采用高密度電阻率法完成上、下兩層采空積水區(qū)勘查任務(wù)。依據(jù)勘探區(qū)內(nèi)的鉆孔測(cè)井資料可知，勘探區(qū)內(nèi)涉及的地層由淺到深呈“高阻—低阻—高阻”的變化特征。原生地層若不受采動(dòng)影響時(shí)，電性均勻；當(dāng)目標(biāo)煤層被采動(dòng)，且積水時(shí)，電阻率值會(huì)降低，與圍巖介質(zhì)存有明顯的電性差異，打破了橫向均勻性，為高密度電阻率法勘探提供了前提。

4.2 探測(cè)效果

野外施工嚴(yán)格按照相應(yīng)技術(shù)保障措施進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理，處理后的結(jié)果如圖3a)所示，整體特征為：淺部視電阻率值較高，中深部視電阻率值較低，深部逐漸增高，即整體呈現(xiàn)“高阻—低阻—高阻”的變化趨勢(shì)。但采空積水異常反應(yīng)不明顯，且無法有效分辨上、下層積水異常。采用反演計(jì)算，結(jié)合已獲取的煤層標(biāo)高數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)層位進(jìn)行層位標(biāo)定，結(jié)果如圖3b)所示。對(duì)比反演前后斷面可見，淺部高阻層厚度變薄(其為地表風(fēng)積沙層的電性反映)；高阻沙層下的低阻層略有抬升，且呈較薄層狀分布(薄低阻層為風(fēng)化基巖富水層)；再向下至含煤地層，上、下目標(biāo)層位置均有對(duì)應(yīng)的扭曲、圈閉異常，且異常相互獨(dú)立、空間位置明顯。低阻異常與煤層對(duì)應(yīng)的上、下層采空區(qū)積水關(guān)系密切，經(jīng)鉆探證實(shí)低阻異常為采空積水區(qū)。

5 結(jié)語

復(fù)雜的電磁噪聲環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)對(duì)淺埋煤層多層采空積水區(qū)的有效探測(cè)，傳導(dǎo)類高密度電阻率法不失為一種可靠的勘探技術(shù)手段。首先應(yīng)做好在設(shè)計(jì)、施工階段采取有針對(duì)性的技術(shù)措施，以保障原始數(shù)據(jù)質(zhì)量；其次在數(shù)據(jù)處理中采用去噪、圓滑和反演等關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)層有效分辨，獲得理想的探測(cè)效果。