淺埋煤層覆巖含水層富水性探測聯合反演研究

郭亮亮，張 艷，吳彩艷，王 崗

（1.陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000）

1 研究區概況

1.1 地質概況

本文研究區位于榆橫礦區東部，主要開采煤層為3 煤，煤層厚度平均約3 m，埋深約150 m左右。首采工作面為綜采工作面， 由于主采煤層埋藏淺，回采產生的冒落裂隙帶易導通上部的基巖含水層和風化基巖含水層，增大礦井涌水量，影響安全生產。 工作面回采前應查工作面上部覆巖含水層的富水情況， 為礦井防治水措施的制定提供科學依據。研究區域本次限定為該礦東部的1—6 測線。

1.2 水文地質條件

根據煤礦地下水的賦存條件及水力特征，將煤礦地下水劃分為兩種類型：即第四系松散巖類孔隙潛水和中生代碎屑巖類裂隙承壓水；劃分四個含水巖層（組）：第四系全新統砂層孔隙潛水、第四系中更新統離石組黃土裂隙孔隙潛水、侏羅系中統碎屑巖類風化帶裂隙潛水、 侏羅系碎屑巖類裂隙承壓水。

中生界碎屑巖類地層中的泥巖、 粉砂質泥巖、粉砂巖均呈互層狀沉積，巖性粒度小，孔隙率小，膠結致密，抗變形破壞性較強，一般以水平層理為特征，是本區上、下含水層段之間相對較好的隔水層。采動時泥巖和粉砂巖中裂隙帶發育高度較小，裂隙導水性也差，具有一定的隔水性能。

從首采工作面涌水可知，風化基巖、離石組黃土等含水層存在局部的富水異常區，其富水性具有平面上及縱向上的不均一性，在局部可能存在充水強區。 另外，由于周圍煤礦已開采多年，形成了大面積的老空區，在老空區低洼地帶形成了一定量的積水。 相鄰工作面煤層回采過程中，由于頂板周期跨落后導水裂隙的影響，可能會造成礦井涌水量劇增或突水情況。

圖1 研究區域測線布置

2 觀測系統及數據處理

2.1 觀測系統

由于煤層埋深小于200 m，本次物探采用高密度直流電法進行含水層富水性的探查，測線的走向為北西-南東，長度為600 m，采集位置在兩條電纜的中點。 為了充分發揮MNB裝置采集后方數據和矩形AMN矩形裝置的優勢[1-3]，數據采集儀器采用高密度電法WDZD-4 系統。數據采集過程中，前一段電纜采用MNB裝置，后一段電纜采用矩形AMN 裝置[4-8]，每一條裝置采集849 個數據點， 一條測線共采集1 698 個數據。

2.2 數據處理

數據采集完后，先將數據導出，將每一條測線的不同裝置數據進行合并，再將合并后的數據轉換為電極坐標- 電阻率格式[9-11]。 該格式不僅可以讀入res2d軟件，而且可以直接轉換為三維格式，讀入res3d格式，方法簡單實用。 格式轉換完成后，對數據進行預處理，在預處理過程中，對電阻率值采用比值法進行處理，剔除極大與極小值，減少電阻率異常隨機干擾。

預處理完成后，再將數據讀入res2d，對數據進行剔除突變點處理。 剔除后再對電阻率曲線進行插值處理，進一步圓滑電阻率曲線[12-14]。 然后，對地電模型進行網格剖分，在剖分過程中可以采用均勻剖分或者非均勻剖分，根據探測目標的需求，選擇可以選擇不同剖分方式。 地電模型剖分完成后，對正反演參數進行設置，可以調整反演深度和層厚等參數。參數設置完成后，對數據進行反演處理。本文反演方法為圓滑最小二乘法， 經過4 次迭代反演后，得到了二維剖面圖。

圖2 二維剖面反演斷面

圖2 中在反演圖中兩側呈現高阻區，由于二維剖面成梯形剖面，而本剖面的矩形剖面是梯形剖面的插值呈現的，因此，剖面兩側呈現盲區，不是真實地反映巖層剖面的導電性。 同時，由于測線間距為40 m，在兩測線之間存在盲區。 為了更好地探測目標區內富水異常區，將不同測線的數據由二維數據轉換為三維空間坐標數據，對測區采集數據進行三維反演。

圖3 三維反演切片

由于1—6 測線在二維反演過程中， 已經對數據進行了預處理，因此，將不同測線數據轉換為三維數據， 只需建立不同測線數據Y方向的坐標即可實現。將三維數據導入res3d軟件進行反演處理[15-16]，得到了三維數據體，見圖3（a）。 將三維反演數據導入Slice Dlcer三維可視化軟件，繪制三維數據體。 三維數據體長600 m、寬160 m、高150 m，該數據體可以根據需求制成不同深度水平切片圖3（e—g）及垂直切片圖3（b—d），根據需求呈現低阻異常區范圍見圖3（f）。

3 資料解釋

對比二維水平剖面及三維數據圖y=0 m處的剖面可知，圖3（a）中低阻異常區的分布更廣，范圍更大； 而三維數據體中的異常區主要分布在X=250～360 m范圍內，在X=50～250 m也呈現低阻異常區，但該區域內巖層電阻率相對較高，而二維電阻率圖中低阻區連成一處低阻區，給解釋工作面帶來很大困難。 圖3（b）中的電阻與圖3（c）中兩側插值形成的盲區更自然，更符合巖層電阻率分布規律。 由上分析可知，三維反演成果更符合巖層電阻率分布規律。 同時，利用三維電阻率反演體，可以將三維數據體y=20 m處的電阻率剖面呈現出來，這是二維電阻率不能呈現的。 根據圖3（d）可知，隨著測線號不斷增大，x=250～350 m處的低阻區范圍變形， 低阻值增大。

利用三維數據體可以制作不同深度的切片圖，圖3（e）切片中可知，在z=50 m處，松散層低阻區主要分布在D5—D6 測線350～500 m處。圖3（f）切片可知，z—70 m處對應地層風化基巖處，風化基巖異常區主要集中在D5—D7 測線350～450 m處。 圖3（g）中切片z=120 m對應頂板砂巖層位，圖中低阻異常區主要分布在D1—D3 測線250～350 m范圍，D5—D6 測線350～450 m范圍內。 為了將低阻體位置展現出來，將高阻區剝掉，圖3（h）將低阻體范圍呈現出來， 從圖中低阻異常體主要集中在D1—D3測線250～350 m頂板砂巖異常體以及局部松散層和風化基巖的零星分布的低阻異常體，不同含水層之間沒有形成明顯的聯系通道。

4 結語

1）在多組二維電阻率數據的基礎上，通過增加Y 方向電阻率坐標，構建三維直流電法數據格式，利用三維直流電法反演軟件res3d， 能夠實現三維直流電法數據處理。

2）與二維直流電法反演相比，三維直流電法反演不僅可以避免各測線之間的盲區，而且能夠避免二維直流電法反演避免局部收斂引起的異常，探測效果更準確。

3）基于二維數據三維直流電法反演，能夠將淺埋煤層頂板上巖層富水區展現出來，指導礦井對工作面頂板含水層進行超前疏放水， 達到礦井涌水“削峰平谷”的效果。