三維改進并行電法福建小煤礦底板富水區探測

邱占林 曾東富 郭玉森

（1.龍巖學院 資源工程學院，福建 龍巖 364012；2.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007；3.福建紫金銅業有限公司，福建 龍巖 364204）

1 改進并行電法三維探測技術

1.1 改進并行電法的基本原理

改進并行電法是常規直流電阻率法的一種，是繼高密度電阻率法集電剖面與電測深為一體的基礎上發展起來的新一代電法勘探技術。該技術是主要基于陣列式、擬震式思想開發的電法技術，具有多裝置、多極距的高密度組合功能，同時還具有多次覆蓋疊加的快速、同步數據采集優勢，具有能夠探測鉆孔外圍一定范圍的能力，最大側向探測距離為電極控制段的長度。由于采用并行電法勘探技術，其數據采集具有同時性和實時性，可得到供電時測線上的各電極點全部電位曲線，使得改進并行電法圖像更趨于真實合理，仿真效果更好，從而大大提升了視電阻率的縱、橫向時間分辨率。

根據分布式電極觀測裝置的不同，改進并行電法數據采集方式可分為兩種：AM法（單點電源場）和ABM法（雙點電源場）[1-4]（圖1）。利用改進并行電法儀所采集的原始數據可以實現高密度電阻率法和高分辨地電阻率法物探解譯，也可以進行2D或3D電阻率反演成像解釋。同時，改進并行電法勘探系統所采集的數據屬于全電場空間的電位值，其同步性電位測量，有效避免了因時間差引起的數據干擾問題。

圖1 改進并行電法采集方式及電位變化情況

1.2 三維探測的技術原理

三維探測技術是基于改進并行電法的3D反演并進行觀測系統改進的一種新勘探技術，其實質在于3D電阻率層析（CT）全空間成像技術。觀測系統一般布置于兩條巷道中，形成空間展布范圍廣的3D透視掃描CT系統進行數據采集。根據底板富水區探測的目的，將測線系統分別布置在工作面運輸巷和回風巷中，切眼巷道因其距離較短而不布置電極，工作站的布設一般根據探測距離的長短而定。具體布置方法為充分利用工作面兩條巷道，如在運輸巷中布置供電—測量系統，在回風巷中布設無窮遠供電B極。當運用改進并行電法儀進行電位變化情況數據采集時，運輸巷中各供電電極A與回風巷中對應無窮遠極B形成觀測地電場，電極A（1#～64#）逐點供電依次掃描，形成類似于無線電波透視掃描的扇形觀測區，其他電極通過程控實現電位值的實時、同步測量，實現雙巷空間的全電場3D透視效果。當采集結束時，將系統和無窮遠極在兩條巷道中對調，再次實施采樣，可獲取海量地電場參數，達到對底板及以下區域的多次覆蓋測量，有利于異常值的檢驗和剔除，大大提高了3D電法的探測精度。若探測距離較長時，每條巷道可布置多工作站測線系統，其編號規定為巷道號—工作站號，即測線（i-j）。現場布置時，前工作站最后一個電極與后工作站第一個電極位置重合，并依次移動另一巷道中的無窮遠B（i-j）極（圖2）。

圖2 改進并行電法三維探測現場布置

數據反演處理時，將其電極坐標統一規定在井下坐標系統內，并對各站地電數據進行有效拼接，聯合進行雙巷全空間3D全空間視電阻率CT成像反演，其3D模型反演及求解修改量Δm如下式所示：

式中：

G-Jacobi雅克比矩陣；

λ-阻尼因子；

Δd-觀測參數值d與正演理論值d0的殘差向量；

Δm-3D初始模型m的修正向量；

C-3D模型光滑矩陣。

3D反演一般流程為：首先將其模型剖分成3D網格，其寬度一般為0.5～1個電極距，然后求取所劃分網格單元內用于反演的電導率值參數。3D反演的觀測數據是全空間電場背景下所測量的單極-單極電位值參數或單極-偶極電位差值參數。且因其變化范圍較大，通常選取對數來表示反演數據及3D模型參數，用于改善反演的可靠性和穩定性。將3D地電數據體進行水平切面及垂直剖面綜合提取，可得到采煤工作面內及底板下不同深度的視電阻率值分異情況，形成直觀的視電阻率三維探測成果圖。結合已有的基礎地質及物探資料，可綜合分析該工作面內及底板下不同標高范圍內的富水區（性）情況，從而實現雙巷改進并行電法3D全空間探測。

1.3 三維探測的物性基礎

由于待測區域內地層層序清楚，層位穩定，其橫向、縱向上均表現出一定的電性變化規律。運用改進并行電法可3D探測采煤工作面橫向上的低阻含水、導水構造及富水區（性）分布規律，同時也可探測縱向上不同深度的地質構造、富水及其導通問題。當采煤工作面內及底板下巖層中存在斷層等構造變形時，其電阻率值通常會發生相應變化；當存在富水區時，該區域與周圍巖層存在顯著的電性結構差異，一般呈現出低電阻率值。兩者均將打破巖層電性結構在橫向與縱向上的原有規律。這種變化特征的存在，為以電性差異為應用地球物理基礎的改進并行電法3D探測的實施提供了良好的物探前提[1]。

2 三維探測實例分析

2.1 研究區概述

福建小井尖煤礦處在閩西南聚煤區中部含煤條帶，二疊系中統童子巖組（P2t）是主要煤系地層[5]。該礦主采38、39號煤層，28、29號煤層局部可采，年產量9萬t/a，屬于福建省小煤礦規模。首采面為+620-38號采煤工作面，水文地質條件屬中等類型，主要充水水源為38號煤層頂板砂巖裂隙水及棲霞組（P2q）底板灰巖水。38煤層底板至棲霞灰巖間距正常情況下為35.4～55.1m，平均間距為38.7m。其頂板砂巖裂隙水，是采掘巷道直接充水水源，主要通過斷層、裂隙等通道以淋水或滴水的方式向巷道排泄。該工作面發育F2逆斷層，導水性弱，一般不會給正常的生產帶來水害威脅，而F4正斷層（產狀：258°∠43°，垂直斷距H=0～40m），局部與底板砂巖裂隙或棲霞灰巖溶隙導通，導水性較強，是需要防范的區域。

2.2 現場布置及數據采集

為了探測該煤礦+620-38號采煤工作面的底板富水區情況，在礦方地質部門的配合下，采用改進并行電法探測技術對工作面兩側巷道底板及以下范圍內的巖層視電阻率分布特征進行3D全空間探測。井下數據采集坐標系選取以運輸巷F2斷層位置為平面直角坐標原點（0，0），沿該巷指向F4斷層點（437，0）方向為X軸正向，則垂直回風巷方向為Y軸正向。現場直接在雙巷底板依次布置電極和電法測線，運輸巷和回風巷各布置4站，其中第一站、第二站、第七站、第八站為運輸巷探測工作站；第三站、第四站、第五站、第六站為回風巷探測工作站（圖2）。每巷均布設64個電極，極距為5m，切眼巷道不布設，每站測線長度為315m。數據采集采用NPEI-DHZI-1改進并行電法勘探系統，現場實施的采集方式為AM法，每站輪流選用0.5s和2.0s恒流供電方波采集數據一次，并進行了全部復測，復測結果基本相同，從而保證了電阻率數據采集的可靠性。

2.3 數據處理

（1）選取全空間數據類型，深度轉換系數為0.5，二次場延遲時間范圍為0～100ms等控制性參數，對系統所存儲的原始數據采取AM裝置形式進行不同功能模塊的預處理。

（2）本次處理的電極坐標采用（X，Y，Z）形式，規定F2斷層點為坐標原點，切眼指向運輸巷為X正方向，沿著切眼巷道為Y正方向，Z坐標值取0。

（3）在預處理參數輸入后進行整周期各電極的電流-電壓轉換，通常采用其均值或方差值，本次處理采取均值替代二次場參數。

（4）由此獲得穩定電流值I與電位值V后進行畸變異常值剔除，結合背景值分析，明顯不符合規律的畸變值一般是由供電—測量電極藕合條件的改變或井下金屬器具、游散電場等干擾所引起。

（5）利用傳統直流電法視電阻率計算公式可進行視電阻率值模塊計算，但為了進一步獲得真實、有效、可靠的電阻率值，則需要對預先處理的視電阻率進行二次解編、插值，多余地電信息校正與光滑約束處理，全空間電場3D反演，進而得到逼近真電阻率值的反演模型結果。

（6）從模型結果中提取3D地電數據體，進行視電阻率水平切面和垂直剖面成圖，并選surfer和illustrator軟件進行輔助成圖[5]。

2.4 探測結果分析

對工作面兩側雙巷采集的數據采用全空間三維電阻率反演CT成像技術，利用全空間3D層狀模型，可有效反映工作面底板下不同深度的巖層電性分布及變化規律，可直觀反映探測區域的相對低阻區總體連通情況，主要通過形成工作面底板不同深度的視電阻率異常區水平切片的空間總體分布來表示。結合工程揭露的煤巖層、地質構造條件以及巷道底板積水情況，對該工作面兩側巷道之間底板富水區分布及連通性進行綜合分析。但工作面底板下不同層位的相對低阻異常區的電阻率閾值因不同巖性地層而異，因而只能通過同一層位中電阻率值的相對大小來劃分，電阻率值明顯減小的區域則為相對富水區。據此可知，該工作面探測區域的底板下90m范圍內存在6個低阻異常區域，其電阻率值均在20Ω·m以下，分別定義為DZ1～DZ6改進并行電法低阻異常區（圖3），分述如下：

（1）DZ1低阻區：靠近回風巷，位于X=1040～1180m，Y=120～168m之間，大小形態比較穩定，發育較深，沿工作面底板向下延伸超過55m，進入灰巖地層，可能與棲霞灰巖水有較強的水力聯系，為重點防范區域之一。

（2）DZ2低阻區：靠近回風巷，位于X=740～810m，Y=140～180m之間，上小下大發育，電阻率值較穩定，朝工作面底板下延伸達40m，在棲霞灰巖頂界面處消失，未進入灰巖地層。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯系。

（3）DZ3低阻區：靠近回風巷，位于X=365～415m，Y=150～180m之間，透鏡狀發育，電阻率值變化不大，底板負法向延伸深度為40m。與DZ2相似，在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯系。

（4）DZ4低阻區：靠近運輸巷，位于X=620～708m，Y=0～36m之間，大小形態比較穩定，電阻率值呈現由上而下升高的趨勢，朝底板負法向延伸不超過40m，未進入棲霞灰巖地層。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯系。但在Z=-10～ -20m處，低阻值范圍沿X方向展布變大，與F4斷層局部導水有關，需要引起注意。

（5）DZ5低阻區：靠近運輸巷，位于X=440～600m，Y=0～40m之間，橫向展布范圍較大，低阻異常區向下逐漸變小甚至尖滅，朝工作面底板下方延伸也不超過40m。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯系。但與DZ4類似，受F4斷層影響，在中部出現低阻區范圍變大的情況，需要注意防范。

（6）DZ6低阻區：靠近運輸巷，位于X=305～365m，Y=0～60m之間，形態略微有變化，電阻率值由小變大再變小，沿底板下方延伸深度不超過40m。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯系。

2.5 探查驗證

根據綜合分析結果，礦方有針對性地實施探放水鉆孔。其中低阻異常區DZ1處的鉆孔ZK1，孔深56.7m，其出水量隨著鉆進深度的增加而增大，由 10.43m3/h（Z=-25m） 上 升 至 23.67m3/h（Z=-55m），據此說明了該異常區富水性強，受棲霞灰巖水的影響大；ZK2孔深45m，施工至-30m時，鉆孔出水量陡然增大到19.72m3/h，且鉆孔巖心出現擦痕等斷層證據，由此表明DZ4、DZ5受控于導水斷層F4，其富水性強。后續施工的輔助性驗證鉆孔ZK3、ZK4，分別對應于DZ4、DZ5，進一步證明DZ4、DZ5是F4正斷層發育且導水所致。總體上，與探測分析結果較為吻合。

圖3 工作面底板不同深度三維探測異常區總體分布情況

3 結論

（1）改進并行電法三維探測技術是通過觀測系統的改進及3D電阻率反演CT成像而建立的一種全空間3D觀測技術，對礦井底板法向深度范圍內相對低阻異常體具有良好的響應，為工作面水害防治提供適用性強的物探手段。

（2）探測應用實例證明該三維探測技術能有效獲取工作面底板電性變化深度剖面，能較直觀地反映相對低阻異常區的總體連通情況，實現富水區的3D全空間圈定，與工程鉆探驗證結果較為一致，對疏水減壓探放水鉆孔與注漿加固施工起到較好的指導作用。

（3）福建小煤礦地質條件復雜，低電阻率值的高變質無煙煤對低阻含水異常體具有一定的干擾，需要聯合多種物探技術，補充對比驗證，方可達到較為理想的地質探測效果。電阻率值與巖層富水性之間的定量關系研究及3D反演過程中冗余構造信息的有效利用，均需要進一步探討。