高密度電法對煤田裂縫勘探的試驗研究＊

本強民，劉 陽，齊興華，魏宏剛

（1.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；2.長安大學，陜西 西安 710054；3.國投哈密能源開發有限責任公司，新疆 哈密 839000）

1 概述

煤礦水患對煤礦的安全開采造成了極大的困擾，并且隨著井內工作區的掘進深度的逐步遞增，水文地質條件也愈加繁雜，含水層的水頭壓力也隨之增大，導致煤層的頂底板突發水患事故的可能性也愈加增大。而導致這一事故發生的因素，主要為地質因素和開采因素，包括地下含水層的分布、隨深度增加而變大的水壓力和煤層頂底板遭受到破壞，只有當三者同時存在并達到某種特殊結合時，才能發生突水事故[2-4]。前兩個因素都是不可抗拒的，故重點在于對煤層頂底板的破壞因素研究。煤層的頂底板發生水患事故的原因主要是煤層頂底板的巖層遭到破壞，致使隔水層的厚度削減變薄從而產生裂隙，因此需要研究裂隙形成前后的地下水分布情況以及外界對煤層頂底板巖層存在壓力的前提下，外部壓力下對地下水分布的影響，從而得到煤層頂底板的破壞規律，這一點需要通過視電阻率的分布特征來體現。

2 研究思路

本文通過設計的模擬試驗來進行研究，模擬在均勻介質的砂中，在有無裂隙的情況下以及外界施以不同壓力的情況下來進行探究視電阻率的分布特征，總結出煤層底板的破壞特征，具體包含兩個方案如下：

1）模擬裂隙試驗：先測定背景場數據，而后在有裂隙時，選取三組不同的電極距來進行試驗并觀察記錄，通過結果來說明視電阻率在裂隙與極距二者共同影響下的規律。

2）模擬壓力試驗：先是確定電極距離，而后累計放置重物在試驗槽上面，觀測在外界不同壓力的變化下，視電阻率的排布特征。

本次模擬選取型號為DUK-2A 的高密度電法測量系統，其中包括多路電極轉換器以及多功能直流電法儀。并且試驗將采用溫納裝置，即各相鄰電極AM、MN、NB 保持相同距離，該裝置具有抗干擾性強的優點[5]。通過兩個試驗總結出在兩種情況下的視電阻率的規律特征，而后根據實際煤礦已完成的項目資料為參考，研究此種方法在實際工作中的應用，并通過試驗掌握反演分析的過程和資料的解釋方法。

3 模擬試驗

3.1 模擬試驗方案

3.1.1 模擬裂隙試驗（如圖1 所示）

圖1 試驗儀器連接圖

（1）將事先備齊好的各向同性介質砂子均勻浸濕，鋪入槽子中，并充分壓實鋪平。

（2）將儀器的電纜口與銅電極連接起來。

（3）初次電極布設先按照5cm 的極距均勻的插進試驗砂槽中。

（4）將儀器連接到位，而后在系統主機上進行參數的設置，且按照提示進行系統操作。

（5）操作完成后儀器便開始自動運行，進行電極之間轉換與測量工作，為了數據的精確度，盡量減小誤差，每次操作應最少重復觀測三次并記錄斷面號。（此次數據作為參考，方便與其他情況的數據進行對比分析）。

（6）隨后將硬紙板垂直插入試驗槽中來模擬裂隙，需記錄下裂隙的所在位置，從右側往左側方向，依次記錄三個裂隙位置，距離右側分別為13cm、26cm、48cm。

（7）采用三種不同的電極距離，分別是5cm、7cm、10cm，需注意不同的極距相對應不同的參數數值（見表1）。分別選取三個不同的極距，依次進行操作，每次還是需要重復操作并觀測三次，提高試驗精確度并減小誤差。

表1 儀器參數設置

3.1.2 模擬均勻介質砂中壓力與視電阻率的關系試驗（如圖2 所示）

圖2 試驗二儀器連接圖

（1）與第一個試驗條件相同，電極距選擇5cm，并連接儀器。

（2）在試驗槽上方，將事先準備好的木板蓋入并確保水平狀態。

（3）重物依次累加，每放置一次即相同壓力下，便進行觀測兩次并記錄數據（參數見表2）。

表2 重量累計表

3.2 模擬試驗數據資料反演解釋

3.2.1 背景場分析

本次試驗的背景場選取的是在試驗砂槽中沒有插入硬紙板來模擬裂隙以及沒有外部對試驗砂槽施加壓力的狀態下，試驗砂槽內部的視電阻率的分布特征。實際操作如下：

（1）因為是基于與其他情況作為參考對比的角度，所以選用了最小的電極距5cm，可以更加細致的反映背景場的特征。

（2）將事先均勻浸透的介質砂子鋪入試驗槽中，并將儀器各部分連接好。

（3）將裝置的類別選擇為溫納裝置并設置好參數。

（4）儀器連接無誤后便按下測量鍵，得出在試驗槽中沒有插入硬紙板以及沒有外部對試驗砂槽施加壓力的狀態下的視電阻率。

經過Surfer 軟件對所測得數據進行反演工作得出如圖3 所示，可以分析得出，視電阻率的整體分布較為穩定，其中上部的起伏不平是因為人工壓實操作時砂子的疏密程度不一導致；而下部呈現出的起伏狀態是由于弄濕砂子時，干濕狀況不一，以至于部分砂子的孔隙較大，含水量分布不均，以及篩選砂子時不夠細致，但整體分布水平較為均勻，所以以此作為背景場，來對模擬試驗的解譯分析提供幫助。

圖3 5cm 電極距surfer 圖（正常）

3.2.2 模擬裂隙試驗分析

圖4 依次分別對應電極距離為5cm、7cm、10cm，且都是在試驗槽中插入了硬紙板來模擬裂隙，且正常大氣壓之下所測得的。

圖4 三種電極距的surfer 圖（裂隙）

其中圖3 經過背景場分析，由于不存在模擬裂隙，視電阻率整體上基本呈現較為穩定狀態，但是砂槽分布不均，水分分布不均，導致視電阻率有所不平，而下部的數值明顯增大，主要是因為砂子浸濕不勻以及篩選砂子時不夠細致。

圖4 依次都是在插入硬紙板模擬裂隙的情況下，且都在正常大氣壓之下，只是選用的電極距離不同，而這三種情況下的反演圖都可以反映出存在模擬裂隙，隨著電極距離的增大，由硬紙板模擬的裂隙所造成的高阻區域也不斷向兩側擴張，即圖中的黃色部分。當電極距離為10cm 時，中部的高阻區域和左側的高阻區域已經連在了一起，相較于選用5cm 的電極距離并插入硬紙板來模擬裂隙的情況下的反演圖而言，后兩幅已經不能清晰準確的顯示出模擬裂隙的位置。

通過模擬裂隙試驗的分析得出，當電極距離選擇5cm 時，可以明顯看出由于插入硬紙板模擬裂隙后造成的高阻區域和低阻區域的分布狀況。再結合選用電極距離為5cm 時的圖3，無模擬裂隙且正常大氣壓下的圖（即背景場），便可以大致的來定位出硬紙板模擬的裂隙的位置。

3.2.3 模擬均勻介質砂中壓力與視電阻率的關系試驗分析

在試驗砂槽中按照5cm 電極距離進行排布，而后連接儀器，將事先準備好的木板蓋入試驗砂槽上部。

將事先分成三份的重物先加入第一份重物放在固定位置，放置穩定后停留兩到三分鐘，目的是等待試驗槽中的砂子下沉至穩定狀態，如法炮制，依次將剩余兩份重物在固定位置累加。每加一次重物后，等待到達穩定狀態后便進行重復觀測兩次并記錄重物的重量。

操作好后，將所測得的數據傳輸并進行處理后，運用Surfer 軟件來進行數據反演。如圖5 所示，其中橫軸坐標上的數字表示電極距離，縱軸坐標表示深度。

圖5 三次壓力下的反演圖

從圖5 的三幅數據反演圖上依次單獨來看，上半部的低值顏色面積都大于下半部分，其中下部有幾塊的顏色明顯加深，從對比條上的顏色可以分析得出，視電阻率的數值較大，主要是浸濕砂子不均勻、上部砂子對下部的壓力、外界對試驗砂槽的施壓不斷增大等因素造成的；而圖上部即對應試驗砂槽表層位置起伏不平，主要是因為表層壓實情況不一受力不均勻導致的。

將三幅反演圖之間相互對比，不難看出隨著外部對試驗砂槽的施壓不斷增大，整體的視電阻率數值逐漸減小。

3.3 模擬試驗結論

本次模擬試驗是關于在裂隙存在時以及在均勻介質砂中累計壓力變化時，探討二者與視電阻率的關系的試驗。研究結果：

1）模擬裂隙試驗：在裂隙存在與否兩種情況下，通過對數據進行反演后的圖來進行比較分析，當選用最小的5cm 電極距離時，明顯可以看出插入硬紙板模擬裂隙后造成的高阻區域和低阻區域的分布狀況，再結合背景場，便可以大致的來定位出硬紙板模擬的裂隙的位置，但是需要注意的是選用較小的電極距離時，得出的分析結果雖然詳細，但易受外界的干擾，所以在礦井工作區內來完成探測工作時，要考慮到實際因素，選用適宜的電極距離，不能一味地選較小電極距離，在進行反演后既要突顯出阻值異常區域，又要盡可能地減小干擾。

2）均勻介質砂中模擬壓力與視電阻率的關系試驗：通過外部的逐次施加壓力，并且達到穩定狀態后，只要變更一次累計壓力數值便要進行兩次重復測量并記錄，并將數據進行傳輸、處理、反演，最終得到在外界對試驗砂槽不斷累加施壓下的視電阻率的數據反演圖，經過分析得出在一定范圍的壓力下，視電阻率的數值隨著壓力的增大而減小，主要是由于試驗砂槽中的砂被壓實壓密后，砂礫間的孔隙度變小，水分子匯集所致。

試驗所模擬的是工作區煤層在開采前后，原先的應力平衡被破壞，導致受力不均，一直到應力平衡恢復的這一過程之中，底板的巖層遭到破壞后產生的裂隙并伴有礦山壓力后的變化狀態。所以本次試驗雖然是通過對煤層底板的破壞規律的研究，但日后便可以為解決煤層頂底板的涌水問題都可以提供可靠的分析解釋的途徑以及提供切實可行的依據。

4 結論

文章通過在實驗室運用電法勘探方法中的高密度電法進行試驗，并選取模擬試驗的形式總結出煤層頂底板的破壞規律，當井田內煤層開采掘進時，致使原有的應力平衡狀態被打破，在這種平衡的恢復過程中，便會造成煤層頂底板遭受破壞，從而產生存在裂隙以及在不斷掘進過程中周期來壓現象，通過模擬試驗數據的反演圖可以看出，這些情況會造成視電阻率的分布有明顯的阻值的異常變化，譬如存在的裂隙帶或溶洞等孔隙被水所充填的時候會使得視電阻率數值較低，以及當煤層頂底板的某一部分巖層視電阻率較低時，可以表明該部分的壓力大且較為集中，反之則說明壓力小且較為分散。