高密度電法在探測煤層頂板富水異常區中的應用

謝 偉

（神東天隆集團有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000）

霍洛灣煤礦南與李家塔煤礦相連，東鄰烏蘭煤礦和安冶煤礦。李家塔礦2-2煤層已經回采，有跡象表明烏蘭礦界內的原小煤窯存在越界開采可能情況，露天礦坑及采空區大量積水極易通過小窯巷道或其它可能通道潰入霍洛灣礦井，對霍洛灣礦安全生產，特別是對22210工作面的安全順利回采構成巨大威脅。因此，本項目采用高密度電法在東南礦界高壓線密集區開展工作，探查橫穿霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層附近存在富水異常區，為堵截、治理工程提供參考資料。

1 高密度電法原理

高密度電阻率法是常規電阻率法的一個變種，就其原理而言，與常規電阻率法完全相同，仍是以巖石的電性差異為基礎的一類勘探方法，通過觀測和研究人工建立的地下穩定電場的分布規律來解決礦產資源、環境和工程地質問題。較常規電阻率法高密度電阻率法具有以下特點：

（1）電極布設一次完成，可減少因電極設置而引起的故障和干擾，并為野外數據的快速和自動測量奠定了基礎。

（2）能有效地進行多種電極排列方式的掃描測量，因而可以獲得較豐富的關于地電斷面結構特征的地質信息。

（3）野外數據采集實現了自動化或半自動化，不僅采集速度快 （大約每一測點需2～5s），而且避免了因手工操作所出現的錯誤。

（4）可以對資料進行預處理并顯示剖面曲線形態，脫機處理后還可自動繪制和打印成果圖件。

（5）與傳統電阻率法相比，成本低、效率高、信息豐富、解釋方便，探測能力顯著提高。

在求解簡單地電條件的電場分布時，常采取解析法，由于坐標系的限制，解析法能夠計算的地電模型是非常有限的。因此，在研究復雜地電模型的電場分布時，主要還是采用了各種數值模擬方法。對于二維地電模型，一般選用了點源二維有限方法，對于三維地電模型則選用面積分方程法。

2 現場應用

2.1 礦井水文地質條件

2.1.1 區域水文地質

本區地下水以孔隙潛水和裂隙承壓水兩種形式賦存，水文地質條件為簡單—中等型。由于區內巖性變化較大，含（隔）水層厚度變化亦大，難以劃分穩定的含（隔）水層，只能劃分相對的含隔水層組，以第四系底部砂礫層為孔隙潛水含水層，基巖各地層組段中以粗砂巖為裂隙潛水含水層和裂隙承壓含水層，以第三系和基巖各地層組段泥巖、砂泥巖等劃分為相對隔水層。孔隙潛水含水層由大氣降水補給，補給量的大小由降水量的多少和地形情況控制，基巖裂隙承壓含水層因各含水層垂直水力聯系甚弱，主要以側向補給為主，大氣降水間接補給。

2.1.2 含 （隔）水層

井田內上覆地層中含 （隔）水層包括第四系（Q4）松散潛水含水層、侏羅系-白堊系志丹群（J3-K12h）砂巖裂隙潛水含水層、侏羅系直羅組裂隙承壓含水層、侏羅系延安組 （J1-2y）裂隙承壓含水層，另外本區除第四系 （Q4）孔隙潛水含水層與基巖裂隙含水層間有第三系 （N2）粘土隔水層外，各基巖地層層段皆有多層粉砂巖、砂質泥巖隔水層阻隔，且隔水層厚度大于含水層厚度，含水層與隔水層厚度比多在1∶3左右，隔水性能好，各含水層間垂向上基本無水力聯系。

2.1.3 礦井采空區充水情況

霍洛灣煤礦留有井田境界煤柱，南與之相連的李家塔煤礦生產規模較大，開采煤層與霍洛灣煤礦基本相同；東鄰的烏蘭煤礦和安冶煤礦開采2-2煤層的淺部，雖留有井田邊界煤柱，但由于烏蘭露天礦礦坑積水及在井田的東南角廢窯，坑道儲滿積水，水量不詳，在開采東南邊界時，積水有可能通過鄰近采空區（巷道）或裂隙補給含水層或直接滲入井下，給本礦東南邊界工作面的安全開采造成威脅。

2.1.4 礦井含煤地層概況

霍洛灣煤礦含煤地層為中侏羅統延安組（J2y），由灰白～淺灰色各粒級砂巖、灰色～深灰色粉砂巖、砂 （粉砂）質泥巖、泥巖夾煤層規律性交替組成。井田內延安組含煤10～32層，多數鉆孔見煤19層，其中可采煤層有9層。目前以2-2煤層開采最為關鍵，該煤層位于侏羅系延安組第四段 （J1-2y4）中上部，煤層厚0.88～6.79m，平均4.95m，煤層結構簡單，局部含一層夾矸，夾矸最厚0.58m，為泥巖或炭質泥巖，煤厚變異系數為36%，全區可采，屬穩定煤層。

2.2 探測設備

瞬變電磁法探測設備使用的是加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電磁法探測儀，該儀器是當前國際上最先進的電磁法探測系統之一。

高密度電法資料采集使用重慶奔騰數控技術研究所研制的WDJD-3型多功能數字直流激電儀和WDZJ-3多路電極轉換器組成。

2.3 地球物理特征

高密度電法均是以巖石導電性差異（即電阻率大小）為應用前提的地球物理勘探方法。不同的巖性具有不同的電性特征，含煤地層具有層狀分布的特點，電性分布在橫向上相對均一，縱向上有固定的變化規律。當均勻地層中存在含水區時，其含水區電性值較圍巖電性值偏低，含水區域范圍越大，含水性越強，其低電性值在探測到的視電阻率中反映越明顯，等值線會發生有規律的變形、圈閉等現象。

總結地層電性特征并結合井田內水文孔測井曲線分析，淺部第四系的風積沙呈高阻電性特征，第三系主要由泥巖和砂質泥巖組成，總體上呈低阻電性特征；中部侏羅系延安組地層巖性主要為細砂巖、粉砂巖及深灰色砂質泥巖，次為灰白色中、粗粒砂巖和黑色泥巖及煤層組成，總體呈中等電阻電性特征，向下電性又呈減小的趨勢特征。

3 成果資料分析

高密度電法勘探實際完成測線長度8480 m（含復測測線長度940m），施工過程中，根據實際地形情況進行了復測檢查，檢查測線長度940 m，占總工作量的11%，符合 《規范》中檢查點不少于3%～5%的要求。

3.1 高密度數據處理流程

高密度野外采集的數據處理前，首先對其逐點進行整理或預處理，即檢查數據質量，剔除不合格數據，并對其進行編錄，整理成專用數據處理軟件所需要的順序和格式，再對數據進行濾波，突出地質信息，再利用專用軟件轉換得到視電阻率和視深度等參數；在此基礎上結合有關測量、地質和鉆探等資料做進一步分析處理，從而推斷出可能的過水通道。

3.2 測網布置與工作量

根據霍洛灣煤礦井田地質報告，2-2煤層主要含水層為侏羅系直羅組裂隙承壓含水層和侏羅系延安組 （J1-2y）裂隙承壓含水層，含水部位為中粒砂巖層段，其在各煤層組間皆有發育，層厚一般小于15m，富水性弱。另外一個最重要的充水因素為小窯采空區積水，本礦井田東部與烏蘭露天煤礦、烏蘭井工礦相鄰，在井田的東南角有一廢窯，開采深度不大，但現在坑道儲滿積水，且可能與烏蘭礦露天采坑積水連成一體，因廢窯被堵，水量不詳，潛在的富水構造對霍洛灣礦安全生產造成隱患。故此，本課題在霍洛灣煤礦東側和烏蘭礦重合的礦界以及南側礦界進行施工，探查霍洛灣煤礦和烏蘭礦重合的邊界以及霍洛灣煤礦東邊界北段 （E 區）富水性異常的分布范圍。

根據工作要求并結合現場實際情況，高密度電法完成工作量包括高密度測線原則上沿霍洛灣礦界布置，受現場條件限制，對部分測線進行了適當調整，兩個野外階段共完成高密度測線16條，編號G1～G15，總長約8480m。

3.3 視電阻率擬斷面圖結果分析

霍洛灣煤礦東邊界北段 （E 區）高壓線密集，主要集中在G13～G16線 （E 區），長度達到2120 m，測點間距530m。因此對本區域解釋采用高密度測線為主。霍洛灣東邊界北段E 區的G13、G15和G16線高密度測線電法實測結果如圖1所示。

正常地層中含水時，其電阻率值較不含水時偏低，含水性越強其電阻率值越低。高密度勘探方法用于解釋的參數即是與電阻率密切相關的視電阻率，該物性基本上可以反映地層的電性變化情況。

在斷面圖中，縱坐標為高程，橫坐標為相對測線起點的水平距離及測點編號。為使斷面圖更加直觀，將視電阻率等值線的變化采用深、淺顏色加以填充。文中將視電阻率值較低的區域采用深色填充，視電阻率值較高區域采用淺色填充。圖中虛線圈出了可能的過水通道，圖中數值 （1.6、1.8、2、2.2、2.4）表示該點處的電阻率值。同時為了評價異常區的可靠性，在圖中標示了高壓線的大體分布情況及影響范圍。

從視電阻率擬斷面圖垂向來看，地層沉積層序清晰、穩定，各斷面圖整體呈現高-低的電性特征，斷面圖總體電性特征與探測區內地層電性分布規律吻合。橫向上斷面圖中的低阻異常反映比較明顯，共發現4處低阻異常區，編號為E-1～E-4異常區。E-1異常區垂向上大致分布于2-2煤層附近地層，推斷該異常區由煤層裂隙相對富水引起，但根據已有資料，異常區附近存在烏蘭礦采空區，因此，并不能排除由采空區積水 （巷道積水）引起；E-2和E-3異常區處為高壓線鐵塔，異常可靠性較低，該異常區受到鐵塔一定程度的影響，但不排除烏蘭礦露天采坑積水通過裂隙進行補給；E-4異常區附近為加油站油庫，該異常受到油庫影響，但不排除烏蘭礦露天采坑積水通過裂隙進行補給，具體分析見表1。

3.4 效果驗證

通過對霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層附近存在富水異常區的判斷可知，存在E-1～E-4共4處低阻異常區域，將給日后采面安全回采構成重大隱患。為了驗證現場高密度電法探測所發現的4處低阻異常區可靠性，對富水異常區及存在爭議區域實施打鉆驗證和放水作業工作，通過現場實施，發現22210工作面切眼以東煤層及頂底板巖層裂隙較發育并具有一定的富水性。目前已在22210工作面開切眼位置采取有效措施，防治水效果顯著。本次東南邊界2-2煤層富水區域開展高密度電法勘探結果與井田實際水文地質情況基本吻合，表明了高密度電法在探查霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層工作面頂板富水構造及富水巖層具有可行性和準確性。

圖1 霍洛灣煤礦東邊界北段 （E區）視電阻率擬斷面圖

表1 霍洛灣煤礦東邊界異常分析統計表

4 結論

本次霍洛灣煤礦東南邊界2-2煤層附近存在富水異常區采取的高密度電阻率法勘探探查發現了多處低阻異常區域，后經現場打孔驗證表明采用煤礦高密度電阻率法探查2-2煤層頂板富水構造的分布及其富水性方面具有可行性，對該礦2-2煤層頂板水害防治及其方案設計與施工具有一定的指導意義。高密度電阻率法與傳統電阻率法相比，能準確而及時地預測預報富水異常構造，并可取得較滿意的探測效果。

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