直流電測深技術在底板巖層賦水探測中的應用

馬文豪，查文鋒

(1.山西焦煤汾西礦業集團，山西 介休 032000;2.山西陽煤集團，山西 陽泉 045000)

0 引言

山西新元煤炭有限公司新元煤礦是設計能力為600萬t/a的現代化礦井，主采山西組(P1s)3#煤層。西采區3#煤為該采區的首采區，該采區共包括310201、310202、310203、310204和310205共5個工作面。

310201工作面底板下100 m范圍內分布有K7、K5砂巖層，頂板范圍內分布有K8砂巖層。310202工作面至310205工作面底板下100 m范圍內分布有較強賦含水層K7砂巖、K2灰巖層。工作面如有構造發育，頂底板隔水層受到斷層構造的破壞，在構造發育地段有可能順構造破碎帶向工作面涌水，引起水害事故[1-3]。為了探查310201工作面至310205工作面3#煤層底板巖層賦水情況及工作面內的發展趨勢，便于礦方有的放矢地開展防治水工作。2007—2011年山西新元煤炭有限公司委托煤炭科學研究院西安煤科院對首采區5個工作面進行了直流電測深井下探測。為了驗證已有數據解釋的正確性和結合各工作面數據進行綜合比較分析，總結該采區的水文物探規律。為臨近采區乃至整個井田的水文物探提供指導和參考。

不同巖性地層電性存在以下基本規律：灰巖、煤層電阻率值相對較高、砂巖次之、粘土巖類最低。即泥巖、粘土巖、粉砂巖等與灰巖、煤層的導電性差異明顯。

由于地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態下，導電性特征在縱向上有其固定的變化規律，而在橫向上相對比較均一。當存在構造破碎帶時，如果構造內不含水，則其導電性較差，使局部電阻率值增高；如果構造含水，由于含水體具良好導電性，它與圍巖產生明顯的電性差異。

地層中一旦存在斷層、溶洞、陷落柱等含水地質構造，將導致地層縱向和橫向上原有電性規律的變化。這種變化特征的存在，為以導電性差異為應用基礎的電法探測技術的實施提供了良好的地球物理勘探前提。

1 直流電測深原理

如圖1所示，三極直流電測深法利用單點電源A供電，另一供電極B置于相對無窮遠處。測量電極為M、N在均勻介質中，點電源A形成的等位面為球面，測量電極MN所測電位差是MN之間球殼的體積范圍內電位差。若此球殼體積范圍內有電性異常體(如含水地質異常)存在，則其電阻率就會發生變化。因此在巷道后方通過觀測視電阻率的變化，就可以判斷巷道前方是否存在地質異常體[4-6]。

圖1 單極—偶極法測量原理圖

單極-偶極法測量布極方式與三極測深探測裝置相似，如圖2所示。煤礦井下巷道頂、底板和煤層是由電性不同的層狀介質組成，對于2層和3層水平層狀介質組成的簡單地電模型，點電源在全空間中的電位表達式可用鏡像法求解，對于n層地電模型，通常采用全空間拉普拉斯方程的方法，建立多層水平層狀介質的電位表達式[7-10]。

圖2 三極電測深裝置示意圖

設第i分層為煤層，電阻率為ρi，頂、底板由不同電阻率水平介質組成，而ρ1和ρn層厚度為無限大，點A置于ρi層中，選取點A為坐標原點，各電性層電位函數表達式如下式(不考慮巷道影響)：

+bijeλz]J0(λr)dλ

(1)

式中：aij，bij，cij—與地層參數有關的待定系數，可由邊界條件求取；i—供電極A在ρi介質中，i=1，2，3，…，n；j—觀測點P在ρj介質中，j=1，2，3，…，n。

視電阻率公式

(2)

將第i層電位值代入上述視電阻率計算公式，就可得到該層在第j觀測點某一探測深度上的視電阻率變化。

2 直流電測深探測成果

2.1 統一坐標剖面圖

利用礦方提供的數據進行統一坐標，如圖3所示，坐標以310202巷道與西回風大巷交界為坐標原點，巷道方向為x軸正軸，310202至310205方向為y軸正方向。

由圖3可知，310205工作面存在3處相對低阻異常，其范圍分別為x軸100～600 m、1 000～1 400 m和1 700～2 090 m。其中1 700～2 090 m處與310204工作面及310203工作面相對低阻異常為連通區域；x軸1 000～1 400 m與310204工作面x軸范圍900～1 300 m相對低阻異常為連通的區域。310202工作面1 100～1 500 m范圍內存在一處相對低阻異常，該異常與310203工作面1 350～1 550 m范圍內相對低阻異常及西二副巷內900～1 550 m范圍內的相對低阻異常相連通。

圖3 多工作面統一坐標電阻率平面圖

2.2 三維結果顯示及分析

三維顯示結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 各巷道剖面圖

a-各巷道剖面圖與-40 m平面圖；b-各巷道剖面圖與-70 m平面圖;c-各巷道剖面與-100 m平面圖;d-各巷道剖面—-130 m平面圖圖5 各深度巷道剖面-平面圖

圖6 各深度平面圖

以西二副巷為x軸，水平面上垂直于x軸，垂直于西二正巷為y軸正方向，巷道垂直方向為z軸，西二巷距集中運輸巷2 090 m為坐標原點(0，0，0)。圖4為各巷道實測剖面圖，圖5(a)～5(d)為各巷道實測剖面圖分別于-40 m、-70 m、-100 m和-130 m深度處平面圖，圖6為-40 m、-70 m、-100 m和-130 m深度平面圖。

綜合可知，西二副巷x軸在800～1 700 m存在相對低阻異常，西二正巷x軸在1 050～1 400 m處存在相對低阻異常，深度-40 m平面圖中x軸1 150～1 500 m處、-70 m平面圖中1 050～1 600 m處、-100 m平面圖中1 000～1 500 m處均出現相對低阻異常，且延伸至工作面310202中，工作面內y軸約180 m左右，推測此處異常為上下貫通，不同深度平面圖及西二正巷與西二副巷反映的為同一處異常；西三副巷x軸1 800～2 050 m處存在一處相對低阻異常，在-40 m、-70 m、-100 m和-130 m平面圖在工作面310203內均出現相對低阻異常，但位置和范圍不同，但總體反映該處異常上下傾斜貫通；西四副巷x軸1 250～1 450 m處存在一處相對低阻異常，平面圖中僅-70 m平面圖存在相對低阻異常，推測該異常上下未貫通，僅深度-70 m左右存在裂隙或溶洞；西五副巷x軸700～850 m、900～1 150 m和1 200～1 300 m處存在相對低阻異常，西五正巷x軸0～550 m和1 750～2 090 m處存在兩處較大相對低阻異常，西六副巷x軸0～650 m和1 800～2 090 m處存在相對低阻異常，西五正巷和西六副巷中間部位存在多處小范圍的相對低阻異常，在-40 m、-70 m、-100 m和-130 m平面圖中對應x軸0～650 m和1 750～2 090 m處均存在相對低阻異常，該兩處異常不僅存在于工作面310205大部和310204靠近西五副巷少部分，在-40～130 m處均存在，推測上下貫通即K7砂巖和K2灰巖可能被構造或裂隙連通。

3 結論

(1)二次處理數據與一次處理數據異常范圍絕大多數能夠對應，只有局部范圍有些差別，證明了以前數據處理的可靠性。

(2)三維圖與傳統二維剖面相比，三維圖能夠更準確地定位各異常的位置及空間范圍，能夠更直觀的分析各異常之間的聯系，如各異常平面上的聯系及深度范圍內的連通性。

(3)結合各工作面和巷道的視電阻率情況，電阻率50 Ω·m以下確定為異常區。

(4)由于電透視和直流電測深兩種方法施工條件的限制，探測成果一方面并不能形成一個完整的數據體，自然存在盲區；另一方面，巷道不能到達的區域沒有探測數據，造成東南部含水區域沒有探測成果，整個評價工作不全面。