高密度電阻率法在頂板巖溶通道探測中的研究及應用

羅 聰，徐 林，楊生文

（貴州省煤田地質局一七四隊，貴州 貴陽 550081）

頂板富水區主要有頂板巖溶通道和淺部采空區。在掘進和生產中，采用高效精確的探測方法探測礦層采掘工作面頂板的采空區、巖溶通道，提前排出或避開頂板水患，對采礦安全生產和減少經濟損失具有重大意義。高密度電阻率法能宏觀的反映礦層頂板富水區的分布形態，是探測頂板富水區的一種精確、高效、低成本的重要方法。

1 高密度電阻率法的基本概念及斯倫貝謝裝置原理

1.1 高密度電阻率法的基本概念[1]

高密度電阻率法的基本概念同直流電阻率法相同。在地面下施加穩恒電流場，將電源兩端通過兩個接地電極（A、B）接地，從而使電流通過大地與電源構成閉合回路，形成兩個點電源的電場。通過兩個測量電極（M、N）測量其電場強度。當測量電極M、N的電極距相對AB很小的時，假設地表水平，M、N中間段的電場強度可視為是均勻的，因此有：

相比于正常電場，設地表水平，地下均勻各向同性巖石電阻率為ρ，MN間的電流密度為j0，這時（3）式可寫成：

此式為視電阻率的微分表達式，式中j0只由裝置的大小和類型確定，當確定了裝置類型，那它就為一個已知的常量。

1.2 斯倫貝謝裝置[2]

圖1 斯倫貝謝裝置示意圖

圖1為斯倫貝謝裝置示意圖，其裝置系數K=πn（n+1）a，其中a為電極間距，n為隔離系數，MN=a，AM=NB=na。斯倫貝爾裝置數據采集排列方式見圖2。

圖2 斯倫貝爾裝置數據采集圖形的排列方式

它的視電阻率ρs表達式為：

2 模型正演試驗及成果分析

假設地下目標地質體和圍巖電阻率分布規律為已知，求其電場分布規律稱為電阻率正演。

本文采用的是瑞典的RES2DMOD軟件運用有限單元法、結合煤礦頂板巖溶通道建立地下地質體模型進行正演數值模擬，研究高密度電阻率法在煤礦頂板巖溶通道的電性分布特征，通過對正演模擬數據進行反演成圖，結合地質模型分析對比、總結規律，為實際應用中資料分析解釋提供參考[3]。

2.1 模型試驗

如圖3為高密度建立的充填型地下高阻體-低阻體及低阻體-高阻體縱向重疊模型的斷面圖。四個規模大小為120m×20m的長方形異常體，Ⅰ、Ⅳ號高阻體ρs=5000Ω·m，Ⅱ、Ⅲ號低阻體ρs=200Ω·m，Ⅰ、Ⅲ號異常體中心埋深40m，Ⅱ、Ⅳ號異常體中心埋深80m，異常體在水平均勻的圍巖介質中，上部灰巖地層ρs=2000Ω·m，下部煤系地層ρs=1000Ω·m。Ⅰ號高阻體為未充填或半充填巖溶通道，Ⅱ號低阻體為充水或泥采空區，Ⅲ號低阻體為充水或泥巖溶通道，Ⅳ號高阻體為未充填或半充填采空區。

地面設計長度為1000m，采用斯倫貝謝裝置，設定電極數為101，電極距為10m。

從圖4模型視電阻率斷面圖中可以看出Ⅰ、Ⅱ號高阻體-低阻體縱向疊加組合異常反應明顯，Ⅰ號高阻異常規模大小與地電斷面圖異常吻合，Ⅱ號低阻異常體反應明顯，異常中心偏下，異常范圍大于地電斷面圖異常范圍；Ⅲ號低阻異常體反映明顯，異常中心下延，異常范圍縱向往下大于地電斷面圖異常范圍；Ⅳ號高阻體反映明顯，異常中心偏下，異常范圍縱向大于地電斷面圖異常范圍，橫向小于地電斷面圖異常范圍；地層分界面明顯。斷面中間深部出現一個較大的低阻假異常，斷面780m～880m點位間，深度60m以下發育一個假異常。

2.2 小結

在對水平煤系地層與灰巖地層中的采空區及巖溶通道的模擬實驗中可以看出，高密度電阻法能較精確的區分巖性界面，高密度探測縱向疊加高阻～低阻、低阻～高阻異常體時橫向縱向均有很好的分辨率，深部異常體中心位置低于實際中心位置，深部低阻異常體范圍大于實際異常范圍，深部高阻異常體縱向大于實際異常范圍、橫向小于實際異常范圍。

這說明在充分結合地質資料的情況下，探測水平煤系地層與灰巖地層中縱向疊加的采空區和巖溶通道是可以分析出深部的采空區和巖溶通道的位置。視電阻率斷面圖在深部出現的假異常應充分結合地質資料加以判斷。

圖3 高密度模型地電斷面圖

圖4 模型視電阻率斷面圖

3 采礦中的實際應用分析

3.1 地質概況

礦區內目的層為二疊系上統龍潭組（P3l），二疊系上統長興組（P3c），三疊系下統夜郎組沙堡灣段+玉龍山段（T1y1+2），地層巖性及水文地質特征見表1。

F23斷層：規模較大，貫穿整個井田，區內走向延長大于3000m，斷距15m～30m，傾向80°～90°，傾角65°～70°，為一正斷層，地表見明顯斷層破碎帶，破碎帶寬5m～40m。

表1 地層巖性及水文地質特征

3.2 施工方法

本次探測采用斯倫貝謝裝置，電極極距10m，AB/2=15m、25m……455m，MN/2=5m、15m、25m、35m、45m。每個電極采用RTK測量坐標和高程，采用澆鹽水及敷泥等方式降低接地電阻。

圖5 試驗線反演剖面

3.3 剖面成果及分析

3.3.1 已知點探測試驗

如圖5試驗線470m點位以南9m為落水洞，地表標高1304m；490m點位以南為落水洞，地表標高1302m；500m號點位以南4m為落水洞，地表標高1298m。落水洞發育區段距地表20m以淺呈相對高阻異常，電阻率值大于1700Ω·m，推斷為溶洞發育未填充或半填充影響范圍；距地表20m～50m呈相對低阻異常，電阻率值小于600Ω·m，推斷為溶洞發育充水或泥影響范圍。深部電阻率分布較為均勻，推斷深部T1y1+2完整。

圖6 1線反演剖面

3.3.2 1線反演剖面分析

如圖6為1線反演剖面。550m點位以南60m為常年流水泉點，水面標高1260m。940m點位以南10m為落水洞，落水洞直徑約15m，落水洞被泥充填。1085m點位位于采空區裂隙帶上，1120m至1310m為8號煤層已知8號煤層已采采面。F23斷層經過地表560m至600m點位間。圖中地層界線根據地質勘探報告剖面劃定。現1線反演剖面分析如下：

（1）小號至534m點位間、標高1270m至1255m T1y1+2灰巖內發育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于450Ω·m，推斷為Ⅰ號溶洞發育充水或泥影響范圍；560m至586m點位間、標高1275m至1245m T1y1+2灰巖內發育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于450Ω·m，推斷為Ⅱ號溶洞發育充水或泥影響范圍。以上2個低阻異常補給測線以南60m處常年流水泉點。

（2）F23號正斷層在剖面淺部斷層破碎帶反映明顯，但在深部相對地質勘探報告描述斷層帶擴大，表明高密度電阻率法在探測斷層破碎帶時淺部分辨率高，深部分辨率不及淺部。

（3）860m至918m點 位 間、標 高1220m至1160m T1y1+2灰巖內發育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于450Ω·m，推斷為Ⅲ號溶洞發育充水或泥影響范圍；933m至953m點位間、標高地表至1294m T1y1+2灰巖內發育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于200Ω·m，推斷為Ⅳ號溶洞發育充水或泥影響范圍，該異常可以推斷地表出露充泥落水洞呈相對低阻異常，深度約15m；1018m至1062m點位間、標高1293m至1260m T1y1+2灰巖內發育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于600Ω·m，推斷為Ⅴ號溶洞發育充水或泥影響范圍；886m至1077m點位間，標高從地表至1237mT1y1+2灰巖內發育有條帶狀低阻異常，電阻率小于850Ω·m，推斷為巖溶發育充水或泥影響范圍。Ⅳ、Ⅴ號溶洞發育充水或泥影響范圍發育在同一巖溶發育充水或泥影響范圍內，推斷Ⅳ、Ⅴ號溶洞發育充水或泥影響范圍相互貫通。

（4）從地層界面可以看出在小號至1260m段T1y1+2+P3c灰巖地層與P3l煤系地層延伸趨勢吻合，但在1260m點號至大號點位間地質界線不吻合，推斷為受采空區裂隙帶及垮落帶引起的水文地質情況變化引起的綜合反映。

（5）充水或泥采空區在剖面上的反映并非呈團塊狀相對低阻異常，受其垂向上裂隙帶及垮落帶影響其發育范圍在垂向上大于實際范圍，但在橫向上采空區發育范圍與已知采空區發育范圍基本吻合。

4 結語

（1）高密度電阻法能較精確的區分高低阻巖性界面，但實際應用中受采空區裂隙帶及垮落帶引起水文地質情況變化綜合影響，其在采空區附近的地質界面反映不明顯。

（2）高密度探測淺部巖溶通道是橫向縱向均有很好的分辨率，但探測深部采空區異常時中心位置低于實際中心位置，深部充水或泥采空區范圍大于實際異常范圍，深部未充填或半充填采空區縱向大于實際異常范圍、橫向小于實際異常范圍。

（3）高密度電阻率法在探測正斷時淺部斷層破碎帶反映明顯，但在深部斷層破碎帶界面時分辨率不及淺部。