高密度電法應用于煤礦地下積水采空區探測的數值模擬可行性分析

孫誠業,陳 亮,魯瑞君

（1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊065000；2.國家現代地質勘查工程技術研究中心，河北廊坊065000)

我國是煤炭生產和消費大國，煤炭消費量占到能源消費總量的50%以上，因此，煤炭在我國經濟發展的過程中做出了重要貢獻[1]。伴隨著能源工業對煤炭需求量的快速增加，很多地區出現了超量采煤的現象[2]，且治理欠缺，不斷擴大了煤礦采空區和沉陷區的面積，造成地表大面積沉陷，地面建筑物和生活基礎設施被嚴重破壞，同時也威脅到礦井采掘工作人員的人身安全[3]。因此，探測煤礦采空區的分布和積水情況，為采空區治理提供重要數據，可有效消除采空區給工程帶來的安全隱患，具有極大的社會效益[4]。

目前，查明地電結構中煤礦地下積水采空區的方法可以分為地質調查、地球物理探測和鉆探3類[5]。地質調查具有成本較低的優點，但是精度不高[6]；地球物理探測具有速度快和精度高的優點，不足之處是存在多解性[7]；鉆探精度較高，但是費用較高且無法準確判定大面積采空區的范圍[8]。目前應用最為廣泛的是地球物理探測技術。張建鋒等[9]應用高密度電法很好地反映了地下空洞的存在；謝偉[10]采用高密度電法探測煤層頂板富水異常區，結果在得出的視電阻率擬斷面圖中發現了3處低阻異常區,打鉆驗證和放水作業的結果與高密度電法探測的結果相吻合,驗證了該區域基巖層存在富水構造區域及其分布情況。此外，還有眾多研究者應用高密度電法成功預測出采空區分布范圍、富水性和空間分布。但是，目前關于高密度電法在采空區探測方面的研究大部分都限于現場應用，針對探測采空區的數值模擬研究較少，同時采空區地質條件較為復雜、地球物理技術又具有多解性以及受到分辨率的限制等，采空區物探工作研究需要不斷持續進行。為此，筆者基于高密度電法正反演計算的角度，對煤礦地下積水采空區進行了數值模擬，并利用數值模擬對采空區進行正反演計算，總結地電響應特征，為系統性研究高密度電法對煤礦地下積水采空區探測效果提供參考。

1 研究區概況

探測礦場是由較多的老礦井整合形成的，地形起伏較大，屬于侵蝕山體地貌。礦井開采標高為1600m左右。主采煤層開采標高約為1400m，頂部巖層為泥質砂質頁巖，巖組腐蝕性和透水性均較好，基巖裂隙含水量較多，為中等富水性裂隙含水層。該層下距采煤層35m，煤層開采受到采空裂隙導通的影響較大，造成涌水量上升的可能性較大。層底部為灰綠色拉斑玄武巖、灰色凝灰質角礫巖，富水性極弱。礦方經過實地調查后圈定了采空區分布的大概范圍，但是具體范圍和邊界存在偏差，且積水情況也不清楚。此外，煤礦生產也受到主采煤層附近含水層的嚴重威脅。因此，急需探測采空區的具體位置和積水情況。

2 研究原理

高密度電法具有高分辨率、低成本和高效率等優勢，原理是利用測點處的電位差，通過建立人工電場，得到測點處某深度范圍的巖土視電阻率，從而判斷出地質異常體的規模和部分等。煤礦采空區屬于三維地質體且具有一定規律，圍巖塌陷和地下含水層等因素都會對其直接產生影響。未充填采空區底板標高比地下水位線標高更高，具有明顯的高阻低極化特征，電性與圍巖不同；填充采空區的底板標高比地下水位線標高更低，受到水動力作用的影響，采空區被淤泥充填，呈現出低阻高極化特征。這種明顯的電性差異可以為高密度電法的應用提供前提。

3 建立采空區地電模型

為證實高密度電法應用于探測煤礦采空區的可行性，并總結地電響應特征，建立采空區地電模型：覆蓋層（80Ω·m）、泥巖層（150Ω·m）、煤層（300Ω·m）、砂巖層（500Ω·m）、采空含水層（10Ω·m）、采空未填充區（100000Ω·m）。如圖1所示。

圖1 地電模型

有限元方法具有簡單、高效、計算速度快、精度高等優點，計算結果更接近真實情況，因此，此次數值模擬計算采用有限元方法。首先，根據有限元方法對圖1地電模型進行正演計算，然后根據得出的數據進行反演，并得到視電阻率剖面圖（圖2）。對比采空區地電模型可知，高密度電法可以很好地反映出正常煤層視電阻率無異常，采空區含水時為低阻、不含水時為高阻。因此，高密度電法應用于探測含水采空區具有較高的精度。

圖2 正反演視電阻率圖

4 探測實例

4.1 測線布置

為有效探測煤礦地下采空區的積水分布情況，并達到底部100m以上深度，根據高密度電法對深度解釋的公式，并綜合考慮地形和地貌，共布置6條測線。其中，1、2、3、4 線為橫向測線，勘測長度2400m；5、6 線為縱向測線，勘測長度1200m。布極測量采用溫納α裝置，測線2與5、6垂直穿越礦方圈定的位置范圍。

4.2 數據處理

將實際測得數據中的畸變點剔除，并進行地形校正，然后再進行反演，最終得出視電阻率反演圖。圖3中虛線部分為低阻異常區。

4.3 地質解釋

根據地質、水文和采掘的信息，結合采空區地電響應特征和視電阻率變化特征，按照先簡單后復雜、先已知后未知的原則對得到的反演資料進行推斷。

（1）推斷。橫向側線（圖3）共圈定出低阻異常區5處，由于1線穿越地表溝渠，綜合考慮采掘資料并根據已知的地質水文資料，推測1線圈定的2處低阻異常區可能是由于底部裂隙構造帶含水導致的，而3線圈定的1處低阻異常區的地表是露天水體淤積，推測主要是由于上部水塘下滲導致裂隙構造帶含水導致的。結合礦方圈定的采空區大概分布范圍，由反演結果可看出2線共圈定2處低阻異常區，分別位于測線長度910～980m和1440～1580m位置，深度高程分別位于1410～1500m和1460～1520m，這與礦方初步圈定的范圍較為吻合，同時，結合數值模擬中積水采空區的視電阻率異常特征等綜合考慮，推斷為老窯積水采空區。此外，從圖4中可看出，低阻異常區6和低阻異常區8均對應于地表水渠位置，與圖3中1線圈定的2個低阻異常區對應，這就可以印證1 線2 處低阻異常區的可靠性。同時，2 線上存在的2處低阻異常區分別與5線和6線上相應位置均表現為低阻異常區，即為2線上體現的低阻異常區3和低阻異常區4分別與5線上體現的低阻異常區7和6線上體現的低阻異常區9相對應。綜合考慮數值模擬采空區地電響應的特征并結合已知的水溫和采掘資料，推斷2線上體現的低阻異常區是由于老窯采空積水導致的，積水頂部距離地面深度約110m左右。

圖3 橫向測線1～4線反演剖面圖

圖4 縱向測線5、6線反演剖面圖

（2）驗證。為進一步對上述推斷的正確性進行驗證，礦方根據該研究得到的結果，針對橫向側線2線體現的較大范圍的低阻異常區4區內進行了鉆探驗證，鉆探結果表明，在鉆孔鉆進深度108m 處有出水，此處主采煤層已積水，且已空，與高密度電法探測的推斷較為吻合，根據該研究結果和實際鉆探結果，礦方對此處采空區進行了注漿。

5 結論

（1）對數值模擬進行正反演計算，詳細分析并總結了煤礦地下采空區不同填充體的地電響應特征，為煤礦地下采空區的探測和分析提供了理論依據。

（2）該研究結合實例采用高密度電法探測了老舊煤礦地下采空區，取得了良好的效果，精確刻畫出了積水采空區的位置和范圍，并進一步經過鉆探驗證了高密度電法探測的結果是可靠的，為礦井開采的安全方面提供了有效的參考。