強電磁影響區淺埋多層采空積水區探測技術★

李雄偉 馬炳鎮

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

陜北神木礦區煤田主要為侏羅系含煤地層，其通常具有煤層沉積穩定，埋深較淺、產狀平緩等特征。由于早期煤礦開采缺乏科學規劃和有效管理，加之生產技術裝備水平低和生產工藝落后，多采用巷采或房柱式開采，形成的采空區無序、不規則，且破壞面積較大，因粗放、無序的采煤方式歷時較長，大多數煤礦均形成了多層采空區，其在長期大氣降水及上層含水層水補給下，匯集形成采空積水區，對下層煤的安全開采構成較大威脅。因此，需對埋藏淺、危害大、多層無序的積水采空區進行探測，考慮到地表有多條高壓電力線路分布，電磁環境復雜，需選擇合適的探測方法，以實現對淺埋多層采空積水區的有效定位探測。該地區地表為風積沙地貌，地形大多較為平坦。恒流源高密度電阻法，受強電磁干擾影響小，且對埋藏較淺的目標體有較好的探測效果。該方法外業施工中要對埋設的電極進行重點處理，使電極與大地接觸良好，且各電極間接地電阻值均勻，以保證獲取的數據質量；再通過反演實現分層定位，對多層目標體探測較為有效。

1 隱蔽水害產生過程

淺埋含煤地層多層采空積水，其層狀地質模型如圖1所示，依據鉆孔揭露，由淺至深地層分別為第四系砂層、新近系紅土層、基巖風化層、含煤地層。淺部煤層采用巷采或房柱式進行采掘，采動后長期接受大氣降水、上部地層水的下滲補給，形成不同規模的采空積水區，因采煤方式為巷采或房柱式，上、下層采空頂板垮落有限，通常不會連通，相互獨立。近年來，由于煤炭資源的整合，采煤方式升級為機械化綜采，下伏煤層回采時，上覆基巖形成冒落裂縫帶，可導通上部采空積水區，當上覆采空積水量較大時，便形成嚴重的突水事故。

2 探測技術

高密度電阻率法是對常規電阻率法在技術上的一次升級，其原理完全一致，均通過人工建立穩定電場，在地面觀測場的變化特征，從而實現地質成果解譯。它采用了多電極、高密度一次布設，實現了跑極與數據采集的自動化。其主要優點為：第一，電極一次布設完成，測量過程中自動跑極，避免了因電極移動引起的干擾和誤差，保障了數據質量；第二，提升了工作效率，使施工成本降低。

施工技術保障措施：

1)埋設電極時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)測線盡可能選擇在地形相對平坦區，若有高壓線分布，應避開高壓線鐵塔基座，減少接地電影響，以保證數據質量；

3)測量定點時精度要高，以保證電極等間距布設；

4)無窮遠直線距離至少大于最大極距的5倍；

5)最大跑極極距應保證接收電位差大于1 mV。

3 數據處理方法

高密度電阻率法數據處理與其他物探方法相類似。首先要對獲取的原始數據進行篩選，剔除不合格數據；再整理成處理軟件所需的格式，對受干擾的數據進行校正，濾除或較大程度上壓制噪聲，恢復信號應有的規律；最后通過反演計算工作，再結合地質、鉆探及采掘等資料進行綜合解釋。

3.1 干擾校正處理

對于受到干擾的數據要進行校正，避免因干擾的存在而使后期的解釋中出現假異常現象，使其回歸應有的變化規律。本文根據已知地質條件，采用多點圓滑、距離加權濾波的方法對受干擾數據進行了處理(如圖2所示)，處理后的數據變化較為均勻，基本符合地層電性的分布規律，為后期的資料分析解釋奠定了基礎。

3.2 反演與層位標定

數據反演采用帶地形的二維反演迭代進行，它基于有限元法和最小二乘法。首先根據原始數據構建初始的二維地電模型，利用有限元法計算模型響應并與原始數據比較，相差較大時則根據一定的規則修改模型并重新計算模型響應，通過一步步迭代使模型的響應逼近原始數據，當兩者方差很小時即可結束反演。根據由地質和鉆孔資料確定的地質模型，調整反演技術參數，確定目標地層深度，完成視電阻率—深度斷面圖反演，實現對探測目標層位的標定。

4 應用實例

4.1 概況及地球物理特征

探測區地表大部分區域為第四系風積砂層覆蓋，地形較為平坦。區內有多條高壓輸電線沿勘探區走向分布，電磁環境復雜。已采動的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，現已積水。設計采用高密度電阻率法完成上、下兩層采空積水區勘查任務。依據勘探區內的鉆孔測井資料可知，勘探區內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影響時，電性均勻；當目標煤層被采動，且積水時，電阻率值會降低，與圍巖介質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 探測效果

野外施工嚴格按照相應技術保障措施進行數據采集時，對采集的數據進行去噪預處理，處理后的結果如圖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“高阻—低阻—高阻”的變化趨勢。但采空積水異常反應不明顯，且無法有效分辨上、下層積水異常。采用反演計算，結合已獲取的煤層標高數據，對目標層位進行層位標定，結果如圖3b)所示。對比反演前后斷面可見，淺部高阻層厚度變薄(其為地表風積沙層的電性反映)；高阻沙層下的低阻層略有抬升，且呈較薄層狀分布(薄低阻層為風化基巖富水層)；再向下至含煤地層，上、下目標層位置均有對應的扭曲、圈閉異常，且異常相互獨立、空間位置明顯。低阻異常與煤層對應的上、下層采空區積水關系密切，經鉆探證實低阻異常為采空積水區。

5 結語

復雜的電磁噪聲環境下要實現對淺埋煤層多層采空積水區的有效探測，傳導類高密度電阻率法不失為一種可靠的勘探技術手段。首先應做好在設計、施工階段采取有針對性的技術措施，以保障原始數據質量；其次在數據處理中采用去噪、圓滑和反演等關鍵技術，可實現對多個目標層有效分辨，獲得理想的探測效果。