歸一化視電阻率法在礦井水害防治中的應(yīng)用

沈福斌，王施智，吳建龍，王家樂

(陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

20世紀(jì)50年代初，由前蘇聯(lián)引進(jìn)的直流電阻率法在國內(nèi)處于隱伏地區(qū)找煤的試驗(yàn)階段；60年代直流電阻率法技術(shù)得到發(fā)展，在此基礎(chǔ)上開始探索應(yīng)用直流電法技術(shù)探測(cè)老窯采空區(qū)、巖溶、古河床及精查階段的斷層等問題，并獲得成功；70、80年代，直流電阻率法技術(shù)發(fā)展迅速、成熟，得到廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著電子計(jì)算機(jī)及計(jì)算數(shù)學(xué)的引入，直流電測(cè)深法技術(shù)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，相關(guān)的濾波、數(shù)據(jù)圓滑等技術(shù)手段也不斷成熟并推廣，但此種處理方法需要人為給定參數(shù)，或進(jìn)行人為手動(dòng)圓滑，得到的數(shù)據(jù)體往往會(huì)有很大一部分失真，給成果解釋帶來一定誤區(qū)[4-6]。進(jìn)入21世紀(jì)之后，直流電法已從地面發(fā)展至井下，成為了煤礦防治水工作中重要手段之一，在礦井開采過程中，查明工作面頂板富水異常區(qū)位置是煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的問題[7-9]。近些年煤礦水害的頻繁發(fā)生，尤其在一些巨厚煤層的礦井，隨著回采導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，受水害的威脅隨之增大，礦井直流電法的地位也隨之升高，因此，要求的解釋精度也不斷提高，僅僅采用傳統(tǒng)的處理手段很難取得較好的數(shù)據(jù)體，也無法消除數(shù)據(jù)失真這一現(xiàn)象。為此，采用歸一化視電阻率法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以期避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，確保異常真實(shí)性，提高分辨率，弱化背景場(chǎng)，突出異常場(chǎng)。

1 歸一化視電阻率定義

1.1 直流電阻率法原理

直流電阻率法是利用地殼中不同巖石間導(dǎo)電性(以電阻率表示)的差異，通過觀測(cè)與研究在地下人工建立的穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律，來尋找煤和其它有益礦產(chǎn)和地下水，以及解決有關(guān)地質(zhì)問題的一種電法勘探方法[10-13]。其原理是向地面打入2個(gè)或2組鐵質(zhì)的電極A、B，其中A極為供電電極，通過改變OA的距離實(shí)現(xiàn)深度探測(cè)的目的，B極為無窮遠(yuǎn)極，固定不動(dòng)，外接一個(gè)電源作供電電源向地下供電，在地下建立穩(wěn)定電流場(chǎng)，用儀器觀測(cè)出供電電流強(qiáng)度I，再將2個(gè)或2組銅質(zhì)測(cè)量電極M、N打入地面，并觀測(cè)M、N兩電極之間的電位差ΔV，并按式(1)計(jì)算出M、N極間中點(diǎn)處的視電阻率值ρs(單位Ω·m)。三極直流電法工作裝置，如圖1所示。

圖1 三極直流電法工作裝置Fig.1 Working device of three pole direct current method

(1)

式中，K為按供電電極A、B與測(cè)量電極M、N的間距計(jì)算出的一定排列情況下的裝置系數(shù)，不同的排列方式有不同的K值。然后，所有儀器設(shè)備沿測(cè)線同時(shí)向前移動(dòng)，逐點(diǎn)測(cè)量、計(jì)算ρs值，便可獲得沿測(cè)線或測(cè)區(qū)的ρs值變化規(guī)律。

1.2 歸一化視電阻率法

歸一化就是要把需要處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后(通過某種算法)限制在需要的一定范圍內(nèi)。歸一化首先是為了后面數(shù)據(jù)處理解釋的方便，其次是保證程序運(yùn)行時(shí)收斂加快。歸一化的具體作用是歸納統(tǒng)一樣本的統(tǒng)計(jì)分布性。歸一化有同一、統(tǒng)一和合一的意思。本次介紹的是均值歸一化，由于煤層的起伏形態(tài)與地層的起伏形態(tài)基本一致，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量基本不受煤層起伏形態(tài)影響，即可將各地層巖性看作近似均一水平層狀分布特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。即以全區(qū)某一點(diǎn)為參考值或設(shè)定一個(gè)參考值，作為全區(qū)的基本值，求取全區(qū)各測(cè)點(diǎn)的同一測(cè)道的平均值，將平均值與基本值進(jìn)行對(duì)比求取系數(shù)，最后將系數(shù)與原始數(shù)據(jù)相乘得到歸一化后數(shù)據(jù)。

(2)

(3)

(4)

值得注意的是，必須是每個(gè)測(cè)點(diǎn)的同一測(cè)道求取均值與參考值進(jìn)行對(duì)比，求取系數(shù)K，區(qū)內(nèi)單個(gè)測(cè)點(diǎn)最多有幾道，就須求幾個(gè)K值，由于各測(cè)道視電阻率值不盡相同，因此K值也不同。數(shù)據(jù)歸一化形式上是變化表達(dá)，本質(zhì)上是為了比較認(rèn)識(shí)，是比較存在差異的數(shù)據(jù)體。眾所周知，國內(nèi)大部分煤系地層均屬沉積地層，其巖性以泥巖、砂巖為主，巖層分布基本呈層狀，在解釋過程中，往往會(huì)將呈低阻電性反應(yīng)的泥巖劃分為異常區(qū)，忽略了目標(biāo)低阻異常體，而歸一化目的就是將泥巖的低電性轉(zhuǎn)化成與砂巖一致的電性，有效提高信噪比，突出目標(biāo)異常體。

2 資料處理與解釋

2.1 資料處理

將實(shí)測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)通過通信線傳送至計(jì)算機(jī)后，通過專用軟件進(jìn)行計(jì)算得到視電阻率值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，發(fā)現(xiàn)受干擾的數(shù)據(jù)，即由于受接地條件影響，個(gè)別極距數(shù)據(jù)發(fā)生跳變，進(jìn)行剔除或圓滑處理，并進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理，突出異常場(chǎng)，將歸一化后數(shù)據(jù)繪制視電阻率等值線斷面圖。將所測(cè)得各條剖面的視電阻率值按線號(hào)、點(diǎn)號(hào)一一對(duì)應(yīng)，組成工作面視電阻率數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件進(jìn)行水平切片處理，切取煤層頂板各層位視電阻率值，最后繪制視電阻率等值線平面圖。歸一化前后視電阻率等值線斷面圖，如圖2所示，可以看出，歸一化前等值線基本呈層狀，與煤系地層分布特征基本一致，低阻異常區(qū)主要集中在垂向上探測(cè)距離小于50 m范圍內(nèi)；經(jīng)歸一化處理之后，提取出本區(qū)的異常，得出視電阻率等值線斷面圖，圖中明顯反映了低阻異常區(qū)的分布位置，為后期資料解釋奠定了基礎(chǔ)。

圖2 歸一化前(上)、后(下)視電祖率等值線斷面Fig.2 Isoline section of normalized pre(upper)and post(lower)apparent resistivity

2.2 資料解釋

資料的解釋推斷遵循從已知到未知、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到全工作面的原則。充分收集和研究各種地質(zhì)、水文地質(zhì)、鉆孔及相鄰工作面的勘查成果等資料，根據(jù)視電阻率等值線的空間變化規(guī)律及等值線的密集變化特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，充分考慮各種復(fù)雜因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。綜合分析，從定性到定量，反復(fù)進(jìn)行，將電性成果轉(zhuǎn)化為地質(zhì)成果。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣的彬長礦區(qū)，其地層由老至新依次為中生界三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、環(huán)河-華池組(K1hn+h)，新生界第三系上新統(tǒng)保德組(N2)，第四系下更新統(tǒng)(Q1)、中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)及全新統(tǒng)(Q4)。影響煤層開采的主要含水層有洛河組中粗粒碎屑巖含水層，安定組中部及底部、直羅組底部砂巖含水層以及延安組含煤地層砂巖承壓含水層。其中，洛河組中粗粒碎屑巖含水層一般厚284 m，該層單位涌水量0.258 6～0.436 5 L/(s·m)，為無界承壓含水層和富水性中等的含水巖組；安定組中部及底部、直羅組底部砂巖含水層為層間含水，單位涌水量0.000 05～0.002 6 L/(s·m)，富水性弱；延安組含煤地層砂巖承壓含水層，為中粗粒砂巖、砂礫巖含水層段，厚度18～40 m左右，單位涌水量0.000 046～0.000 74 L/(s·m)，富水性弱。在巷道掘進(jìn)期間，揭露了斷層一條，為F6正斷層，產(chǎn)狀150°∠46°，落差H為6～10 m。

3.2 施工參數(shù)

由于受礦井施工條件限制，本次采用三極固定MN裝置，無窮遠(yuǎn)極的布設(shè)沿著巷道布設(shè)，且無窮遠(yuǎn)極OB的距離大于3倍的最大供電電極距OA。供電極距OA采用算術(shù)極距，極間距為10 m，最小OA為25 m，最大OA距為180 m；無窮遠(yuǎn)極OB不小于700 m。接收極距MN/2采用固定形式，為5 m和15 m，兩接口處取視電阻率平均值。

3.3 成果分析

圖3為歸一化前后視電阻率等值線平面圖，反映了工作面4號(hào)煤頂板上120 m范圍內(nèi)含水層的電性分布形態(tài)。圈定了區(qū)內(nèi)富水異常分布位置，同時(shí)分析在距切眼700～1 000 m之間的A號(hào)異常，存在上、下聯(lián)通導(dǎo)水通道的可能性較大。A號(hào)富水異常區(qū)為F6正斷層造成的局部裂隙較為發(fā)育及延安組上段、直羅組、安定組砂巖層局部富水所致，該異常在4號(hào)煤層頂板上20～120 m范圍內(nèi)均有不同程度的發(fā)育，推測(cè)此異常延伸區(qū)域大，A號(hào)異常區(qū)富水性較強(qiáng)。該異常為本區(qū)重點(diǎn)異常。B號(hào)富水異常區(qū)為砂巖層富水所致，該富水異常區(qū)在4號(hào)煤層頂板上45 m和120 m處出現(xiàn)不同規(guī)模的異常區(qū)，B號(hào)異常區(qū)富水性較弱。經(jīng)礦方后期回采揭露情況，在回采臨近至A號(hào)富水異常區(qū)附近，頂板壓力、淋水增大。電性反應(yīng)特征與實(shí)際揭露資料一致。

圖3 視電祖率等值線平面Fig.3 Isoline plan of apparent resistivity

4 結(jié)論

(1)將井下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率轉(zhuǎn)換后，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，剔除壞點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用歸一化視電阻率法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證了資料的真實(shí)性，資料解釋時(shí)避免了失真造成的誤區(qū)。

(2)經(jīng)歸一化視電阻率法資料處理，有效提高橫向、縱向分辨率，弱化了背景場(chǎng)，突出了異常場(chǎng)，解釋成果與回采揭露資料吻合。

(3)歸一化視電阻率法是基于視電阻率與線性函數(shù)的結(jié)合，是煤礦井下水文探測(cè)最理想、有效的物探方法之一，可為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。