高分辨地電阻率法在煤田火區空洞勘探中的運用分析

劉振東

摘要：煤田火區空洞勘探是煤田火區環境治理中重要環節。本文針對新疆昌吉硫磺溝煤田火區勘探問題，引入了高分辨地電阻率法，用于解決常規勘探方法難以解決的問題。首先介紹了高分辨地電阻的勘探原理、工程設計以及野外工程布置情況，針對各項資料處理問題予以解釋，證實了該方法的可行性與有效性。

Abstract： Cavitation exploration in coal field fire area is an important link in environmental management of coal field fire area. In this paper， the high-resolution georesistivity method， which is used to solve the problems that conventional exploration methods are difficult to solve， is introduced to solve the problem of fire area exploration in the sulfur trench coal field in Changji， Xinjiang. Firstly， the exploration principle， engineering design and field project layout of high-resolution georesistance are introduced， and various data processing problems are explained to verify the feasibility and effectiveness of the method.

關鍵詞：高分辨地電阻率法;煤田火區;空洞勘探;可行性

0? 引言

盡管當前我國在煤田火區治理方面取得了一定的成就，然而仍存在一定的局限性，尤其是對于洞體、燃燒中心等孤立體探測還存在一定的難度[1]。通常，孤立性地質往往缺乏規律性，異常反映弱，常規方法如自然電位法、磁法難以對獲取下部空洞、燃燒中心等進行有效的探測。此次研究引入了高分辨地電阻率法，其有效解決了煤田火區空洞勘探技術難題，在火區環境地質災害治理中有著良好的應用前景。

1? 煤田火區概況

新疆的硫磺溝是我國重要的煤田火區，其地處烏魯木齊市中心以西40km，南北12公里、東西10公里的范圍內，自1874年有歷史記載以來，一直處于自燃狀態。由于儲煤量巨大，富含礦藏豐富，這場一時之間無法撲滅的大火，成為眾多人頭疼癥結所在，也受到了國家、政府的高度關注[2]。硫磺溝，地處新疆南北疆交匯處，距離烏魯木齊約40公里。大自然的鬼斧神工造就了如今硫磺溝的懸崖峭壁、丘陵溝壑，長期的風吹雨打、風化剝蝕，又造就了如今的雅丹地貌、石林地貌[3]。硫磺溝的煤田火區面積184萬平方米，每年要燒掉176萬噸煤，按照可比價格計算，每年要損失1.7億元。如此巨大的損失，加上煤作為不可再生資源，硫磺溝的這場煤田大火，長期以來受到社會各界廣泛關注。地理位置和日常氣候條件的不可改變，則成為煤田自燃的主要原因。橫亙整個新疆地區的天山，將新疆分割成南疆和北疆兩部分。而天山，被劃分為地質活動劇烈的地區，于是，經過多次的地質運動，埋在底層中的水平煤層大多變為傾斜煤層。這些暴露在空氣中的煤層，與氧接觸后，產生氧化作用，慢慢積熱開始增溫，積累之后，溫度達到燃點，煤層慢慢自燃，形成煤田火災。

2? 高分辨地電阻率法

高分辨地電阻率法與以往直流高密度電法在溫納裝置方面有著明顯的差異性，其采用的是單極-偶極裝置密集測點，對孤立異常體有著較高的敏感性，能夠實現對地下每一個分析分辨單元的多次覆蓋，具有體積小、靈敏度高等優越性，地下地質體形狀、位置能夠直觀形象的展示出來。與此同時該方法還具備極強的抗電磁干擾性能，可以有效壓制因地表電性不均勻引起的靜態偏移問題，其施工方法如圖1所示。在進行觀測時，電位電極在測線的一端，此時電流電極為地下供電，可以獲得電流電極電位差。當需要測量下一測點時，可以將電位電極移動到相應位置，電流電機為地下供電，獲得電位差[6]。上述過程反復直至電極移動到另一端，此時能夠獲得完整的二維剖面信息。在參數設置方面，一般供電點距為10～20m，最大探測深度為3～5倍，測點點距覆蓋2～10m范圍。

3? 煤田火區空洞勘探工程布置及實施

3.1 勘探工程設計

1999年，國家成立了硫磺溝煤田滅火工程。自此之后的幾年里，滅火工程隊的數百名滅火隊員一直在與大火抗爭。在全疆火區普查中調查了硫磺溝煤田具體情況，主要采用了地面磁法、自然電場法實施探測。此次勘探工程對以往考察結果進行總結，借鑒以往研究經驗，采用50m左右線距，與磁法、自然電場法測線布設相平行，在此基礎上實施高分辨地電阻率法。通常，測線分辨率與點距密切相關，兩者呈現出明顯的負相關，即點距越小分辨率越大。研究主要從地質任務、工程費用以及工作量等多個方面出發進行綜合考慮，最終設置高分辨地電阻率測點點距為5m，其分辨率≤5m。

3.2 工作量完成情況

野外勘探工作共進行了6個月，完成子獲取勘探測量任務17個，高分辨率地電阻率完成測線33條。研究所用儀器為WDJD-3多功能數字直流激電儀（成都明萱電子科技有限公司）。由于測區地理條件、地質條件等較差，在采用高分辨地電阻率法時專門處理了供電電機與無窮遠極問題。其中無窮遠極主要由4～6根電極構成，設置接地電阻為600Ω，在接受電極設置上應注重其接地情況。高分辨地電阻率法能夠多次覆蓋每一分析分辨單元，因此其在數據量上已經具備統計學意義，可以不用單獨再進行檢查點布置。需要注意的是施工期間仍要加強對實測數據的監控，當對數據存在疑問時要及時進行復測。對于獲取的跨越供電電極，要由記錄員、跑極員一一進行核對。對于因地形條件復雜、測線接地環境差等因素引起的電磁干擾問題，可以在資料處理及解釋緩解進行適當調整，減少實測數據偏差[3]。

4? 資料處理與解釋

4.1 資料處理

硫磺溝火區部分地形、地表存在不均勻性，容易受到電磁干擾，針對這一問題，需要通過資料處理確保勘探的準確性。由于高分辨地電阻率法能夠實現多次覆蓋，其能夠將地表不均勻影響予以消除。從該探測方法具體施工方式看，地下每一個分析分辨單元在單極-偶極裝置下均由不同供電電極實施供電。針對地面不同測點由多個不同測量電極進行反復測量，能夠將電位異常直觀的反映出來。當遇到地表電性不均勻的情況，無論采用哪種供電電極，只要保持測量電極不發生位移，接收點都會收到電位異常信號。從這一點可以看出高分辨地電阻率法采用野外作業形式，并利用該特點有效區分火區空洞異常及地表不均勻問題。其在消除地表不均勻性影響時，主要是對固定跳躍點進行統計平均后△V/I值，其實際上是舍棄了某一個測點的實測數值。多次覆蓋技術支持下，也可以由其他測點對分析分辨單元信息予以展示。然而面對地表不均勻影響過大的情況，若將過多信息舍棄容易導致有用信息喪失，因此，建議對不均勻性異常予以保留，通過異常解釋對地質背景資料予以推斷。

4.2 資料解釋

以往研究發現高分辨地電阻率法與瞬變場法對于同一地電剖面有著不同的視電阻率，前者視電阻率絕對值往往較大，引起異常差別較大，但兩者都能夠對地下地點異常基本趨勢予以準確的反映，具有一致性。高分辨地電阻率法針對7火區15線視電阻率剖面如圖2所示。資料解釋需要參照測區地質實際情況。一般情況下，硫磺溝火區煤層整體較厚，各層煤都存在燃燒，由于每層底板、頂板較為破碎，存在嚴重地面坍塌現象，因此可以發現空洞區多可見冒落現象。對電阻異常的判斷除依據電阻率值外，還應對電阻率等值線地形、形態以及地表電性不均勻程度等進行全面評估與考慮，并注意觀測點原始數據質量問題。受火區空洞與松散冒落區電性差異不明顯的影響，煤層由增溫到燃燒期間發生的電阻率變化也難以明確。基于上述現象，可以在異常圈定中將高阻區劃為坍陷區、空洞區，低阻劃為高溫區，其中也包括燃燒區。

4.3 鉆孔驗證

鉆孔驗證一是為了解譯，盡管已經針對高分辨地電阻率法進行有效性前提性驗證，但由于硫磺溝18個火區地形、地質條件復雜多樣，存在不同程度干擾現象，在不同施工條件下，地區試驗結果也呈現出明顯的差異性，其不能夠代表整個火區情況，因此需要通過推斷獲得地質成果。在解釋處理時應大量搜集地質資料，將其與電性異常結合考慮，用于判斷、衡量的主要依據。鉆孔驗證能夠幫助了解哪些判斷是錯誤的、哪些與地下火區空洞吻合，與此同時還能夠有效評估地質成果可信度、野外資料可靠程度等。

4.4 成果分析

通過高分辨地電阻率法獲得了新疆硫磺溝火區不同圖件，分別為各個火區視電阻率等值線剖面1：1000比例圖、地質異常物探異常列表解釋，可以發現該地區空塌區面積小、高溫區面積大，前者是導致煤層自然的主要因素，應注意避開空塌區及埋深較淺的高溫區，保障施工安全。

5? 結束語

高分辨地電阻率法在煤田火區空洞勘探中的運用，反映出當前硫磺溝火區煤層自然、塌陷較為嚴重，應加強治理，在今后煤田獲取空洞勘探工作中，要在現有工作基礎上有針對性有重點的布置工作量，提高施工安全性。

參考文獻：

[1]羅傳華，昌彥君，郭寧寧，等.高分辨電阻率法在云南巖溶地區地下水勘探中的應用[J].工程地球物理學報，2014，11（3）：402-405.

[2]麻昌英，柳建新，郭榮文，等.耦合有限單元法擴邊的直流電阻率勘探無單元Galerkin法正演[J].地球物理學報，2018，61（6）：2578-2588.

[3]楊庭偉，張力，盧超波，等.基于高分辨直流電法的隧道超前地質預報異常探測研究[J].礦產與地質，2018，32（1）：131-137.