綜合物探方法在煤礦老空水及其涌出通道探測中的應用研究

盧向星 孫 旭 李仁杰

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

我國的一些礦產資源由于開采后未進行有效的采空區處理，造成了大量的巷道和采煤空間隱伏于礦區的現象[1]。由于地下水加上地表水作用，大量的水體會積聚于采空區之中形成老空水。這些水體不僅會帶來巨大的經濟損失，更會影響生態和人類正常生存環境，甚至會威脅生命財產安全[2]。因此，老空水的探測與治理工作已經是亟須解決的問題。地球物理方法因其經濟、快速、無損的特點，已在資源勘查、水文地質、工程地質等領域都得到了廣泛應用[3]。而單一的物探方法都有各自的局限適用條件，加上采空區的地電條件復雜，難以準確探測采空區分布范圍、空間展布特征以及廢水流通方向，因此，開展綜合物探方法探測顯得更為重要。

針對老空區的精確探測，傳統方法是利用地面鉆探劃定老空水的三線，進而確定積水區位置[4]。隨著現代科技的飛速發展，老空區探測技術得以長足發展，其中，地球物理方法因其快速、無損特點而得到廣泛應用。而老空區的低電阻特征為地球物理方法查明采空區展布及富水提供了有利條件。地面綜合物探中，高密度電阻率法是一種對低阻相對敏感的方法，可有效確定采空區的具體位置及積水情況。例如陳曉春[5]等人利用高密度電阻率法劃定了煤層地表覆蓋厚度及圈定了地下采空區及其富水性情況。孫飛[6]等人通過高密度電法結合鉆掘勘探結果探測隱伏于礦區之下的采空區具體位置，為煤礦礦山采空區地質勘探和處理提供了數據支持。

僅僅查明采空區的積水范圍是不夠的，由于早期開采范圍不明的老空水以及開采廢棄的采空區，破壞了原有的地下水補給排泄通道，在地質條件發生變化時極易引發老空水涌水問題，在地表造成一定的污染[7-8]。因此，探明地表涌水的滲流通道是老空水探測中的一個重要環節。物探方法中的充電法因其操作方便且效果顯著，常用于水流通道的確定。例如：何公民[9]等人利用充電法對老窯井口充電，探測老窖采空區的積水通道，并繪制了電位剖面圖。李黔西[10]等人利用充電法確定了巖溶裂隙發育情況及其平面分布位置圖。

本文針對貴州省麻江縣擺沙河流域煤礦采空區積水涌出造成的周邊環境污染問題，采用高密度電阻率法和充電法查明采空區分布范圍、采空區積水情況及滲水通道位置。通過分析兩種方法的聯合探測結果，為煤礦廢水的綜合治理提供一定參考。

1 研究區地質概況

研究區位于貴州省黔東南苗族侗族自治州麻江縣擺沙河流煤礦礦山殘留的巷道密集區。區內高山分布，中間區域以大面積田地為主，總體風化程度較高。場地內覆蓋層主要有耕植土、黏土等第四系土層。分布的基巖主要為灰巖，屬于巖溶發育地區。研究區有一處涌水點，位于測線L1 南側，涌水點周圍為農田，北側為一條公路，表層為耕植土覆蓋，涌水呈線流狀、小股狀，水中附帶泥沙呈黃褐色。

圖1 研究區地理位置及測線位置

2 裝置工作原理

2.1 高密度電阻率法原理及測線布置

高 密 度 電 阻 率 法（Electrical Resistivity Tomography，簡稱ERT，以下簡稱高密度電法）是以探測區域巖（礦）石及地下水等介質導電性能的差異為基礎，分析在穩定的電流場作用下地質體中電流傳導分布的規律，并對相應區域的地質問題提供物理性勘探的方法[11-12]。測量時，通過供電電極AB 向地下供電，測量電極MN 測量電位差ΔUMN，通過式（1）得到地下介質的視電阻率ρs。

式中：K為裝置系數，其大小與電極間距有關，表達式如式（2）所示。

高密度電法采用組合式電極排列，裝置結構如圖2（a）所示，測量方式通常以多電位測量為主，即溫納裝置、偶極裝置、微分裝置等。相較于傳統電阻率法，高密度電法觀測點密度更高，電極布設一次性完成，通過程控式多路電極轉換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距，從而完成數據的快速采集[13]。一次布設可以獲取大量原始數據，完成二維橫向及縱向的勘探過程，既能反映沿水平方向巖土體的電性變化，又能提供地層巖性隨著深度的縱向電性變化。對某一極距而言，其結果相當于電阻率剖面法，而對同一記錄點處不同極距的觀測又相當于一個測深點，所以高密度電阻率法實際上就是電阻率剖面法和電阻率測深法的綜合[14]。

圖2 裝置觀測原理圖

根據研究區巖溶發育情況和地質地形條件，本次高密度電法測線沿巷道密集區（近東西向展布）進行布設，共布設1 條高密度電法測線，電極距設置為5 m，電極數60 道，測線總長295 m。結合溫納裝置和斯倫貝謝爾對地質體垂向及橫向有著適度的靈敏度，成本低，效率高，反映地電、地質信息更豐富、更直觀，利于進行縱向的分層及橫向的分帶，且數據覆蓋程度好，數據質量較高，對接地電阻要求較低的特點，本文采用溫納裝置和斯倫貝謝爾裝置進行觀測。

2.2 充電法原理及測線布置

充電法是一種以地下巖、礦石導電性差異為物質基礎的傳導類人工電場法[15]。其利用高礦化度的地下水與地下巖石電阻率的差異，通過向露頭充電的方式來觀測其充電電場的分布，便可據此推斷出高礦化度地下水的分布情況[16]。

充電法常用觀測方式主要有電位法、電位梯度法和直接追索等位線法。其中，電位梯度法工作時將測量電極M 和N 保持一定距離(通常為1～2個測點距)，沿測線一起移動，逐點進行電位差ΔUMN。計算點位梯度：ΔUMN/IMN，電位梯度法的測量結果一般記錄在MN 中點，通過電位梯度值有正有負，根據電位梯度曲線零點及正負變化點確定良導體位置[17]。該方法優勢在于探測結果的正負值過渡位置，對地下水的反應較為靈敏，能比較準確明顯地對地下水流進行定位，故本文選擇電位梯度方式進行充電法測量。

本次研究通過向落水洞中加入大量食鹽，使水的電阻率大大降低，從而接近理想導體，再以落水洞為充電點，開展充電法的工作。根據煤礦開采區域的分布特征及地形的變化特征，地表產生的異常現象，本次研究共布設了3 條充電法的測線。測線沿著巷道密集區，涌水點北側布設L1、L2、L3號測線，走向近東西向，設置測點距統一為2 m，L1、L2、L3 測點數分別為20、15、20，測線總長分別為38 m、28 m、38 m。

3 探測結果分析

3.1 采空區范圍分布的確定

老空區由于積水富集，與圍巖電阻率存在顯著差異，導致電性結構和影像特征變化較為明顯，以及場地的良好條件，為高密度電阻率法的應用提供了有利條件。在研究區內巷道密集區布設的高密度電法測線主要沿東西向展布，經數據采集及反演處理后得到圖3 所示結果。其中圖（a）、（b）分別為溫納、斯倫貝謝爾裝置的反演電阻率剖面。

圖3 橫剖面反演結果圖

由圖3（a）所示的溫納裝置反演結果圖可以看出，測區電阻率分布較為均勻，普遍存在一個表層較高、下伏地層較低的特性，且高阻分布的范圍較為單一。高阻異常主要集中在測線水平距離160～260 m、深度15～35 m 的中深部區域，電阻率普遍大于3000 Ω·m，推測該處為比較完整的基巖層，且含水量較低。在測線160 m 往后的里程，存在埋深0～20 m 左右的條帶狀開放式低阻區域，但是在埋深超過20 m 的下伏區域的電阻率較高，結合研究區域現場情況，該部分測線經過田地，表層土體含水率較高，影響了該部分區域的電阻率值，導致低阻異常。

從斯倫貝謝爾裝置反演結果中（圖3b）看出，高阻區主要分布在測線右側200～260 m 區域，埋深大于12 m。低阻區主要分為兩個部分，一部分分布在測線水平距離160 m 之后的淺層區域，另一部分分布在水平距離80～180 m、埋深20～35 m 處，深度較大，且呈現低阻圈形式。斯倫貝謝爾裝置的低阻異常體位置與溫納裝置相吻合。

結合兩種裝置反演圖綜合分析，在測線里程160～260 m、埋深15～35 m 處，存在明顯的層狀分布的高阻區域，且隨著深度的增加，電阻率值也愈來愈大，推斷這部分巖體為巖性強度較高、風化程度低的基巖部分。在測線里程80～160 m、埋深30～50 m 處，圈定區域存在低于耕地引起的低電阻區域，且埋深較大，范圍更廣，低阻連續性較強，結合該處地質條件，推測該異常區域可能為下方大面積采空區所引起，且采空區造成了一個向四周發展的透水裂隙，在橫向以及縱向上引起一個較大范圍的低阻異常情況，為老空水的流動提供了優勢通道。

3.2 滲水通道位置的確定

本次充電法測線均布設于工作區巷道密集區東側，沿西南-東北方向分別布設在田邊房屋西面、涌水點的北側。采用電位梯度法進行觀測后，將結果繪制為如圖4 所示的電位梯度曲線。

圖4 充電法觀測結果圖

由圖可知，三條曲線均存在正負電位梯度值的過渡點，即y 軸0 點位置，該點為代表該剖面老空水排泄通道的位置。其中L1 約在14～15 m 內出現電位正負值過渡情況，推測該位置為地下水流通道位置。同樣，L2 線電位正負值過渡位置約在16 m，而L3 線約在14 m 出現水流通道。結合測線的布置情況分析以及涌水點位置，可以推斷三條測線圈定的正負電位過渡點偏轉方向微弱，基本位于同一直線上，說明該涌水點的北側存在與水源相通的水流通道。綜合高密度電阻率反演剖面及充電法結果推斷該點涌水的滲流通道與老空區有所關聯。

4 結論

1）煤礦開采過后造成大量空腔的出現，而積水聚集會導致老空水區域出現低阻異常。根據高密度電阻率法的溫納裝置和斯倫貝謝爾裝置反演結果可以看出，該煤礦最大采空區位置位于測線水平距離80～160 m 范圍內，最大埋深超過40 m，受到煤礦廢水低阻作用影響，在電阻率剖面圖中主要以電阻率低于145 Ω·m 的低阻體呈現。

2）選擇充電法中的電位梯度法對該煤礦開采區域內的地下水流通通道進行圈定，得出的涌水點通道主要位于研究區北側，推測是由于采空區長時間的地下水匯集作用，加上當地復雜的巖溶條件，且滲水通道與涌水點連通，導致大量的老空水進入通道產生涌水現象。

3）綜合分析高密度電阻率法、充電法結果，劃定了老空區的具體位置及展布情況，確定了地下水流通道的空間分布特征。充電法的電位梯度曲線圖和高密度反演斷面圖相互驗證，可以查明老空水的位置，對流通通道進行疑點提示，對采空區位置及滲水通道進行定性分析，取得較為顯著的效果。