高分辨地電阻率法在煤田火區(qū)空洞勘探中的運(yùn)用分析

劉振東

摘要：煤田火區(qū)空洞勘探是煤田火區(qū)環(huán)境治理中重要環(huán)節(jié)。本文針對(duì)新疆昌吉硫磺溝煤田火區(qū)勘探問(wèn)題，引入了高分辨地電阻率法，用于解決常規(guī)勘探方法難以解決的問(wèn)題。首先介紹了高分辨地電阻的勘探原理、工程設(shè)計(jì)以及野外工程布置情況，針對(duì)各項(xiàng)資料處理問(wèn)題予以解釋，證實(shí)了該方法的可行性與有效性。

Abstract： Cavitation exploration in coal field fire area is an important link in environmental management of coal field fire area. In this paper， the high-resolution georesistivity method， which is used to solve the problems that conventional exploration methods are difficult to solve， is introduced to solve the problem of fire area exploration in the sulfur trench coal field in Changji， Xinjiang. Firstly， the exploration principle， engineering design and field project layout of high-resolution georesistance are introduced， and various data processing problems are explained to verify the feasibility and effectiveness of the method.

關(guān)鍵詞：高分辨地電阻率法;煤田火區(qū);空洞勘探;可行性

0? 引言

盡管當(dāng)前我國(guó)在煤田火區(qū)治理方面取得了一定的成就，然而仍存在一定的局限性，尤其是對(duì)于洞體、燃燒中心等孤立體探測(cè)還存在一定的難度[1]。通常，孤立性地質(zhì)往往缺乏規(guī)律性，異常反映弱，常規(guī)方法如自然電位法、磁法難以對(duì)獲取下部空洞、燃燒中心等進(jìn)行有效的探測(cè)。此次研究引入了高分辨地電阻率法，其有效解決了煤田火區(qū)空洞勘探技術(shù)難題，在火區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害治理中有著良好的應(yīng)用前景。

1? 煤田火區(qū)概況

新疆的硫磺溝是我國(guó)重要的煤田火區(qū)，其地處烏魯木齊市中心以西40km，南北12公里、東西10公里的范圍內(nèi)，自1874年有歷史記載以來(lái)，一直處于自燃狀態(tài)。由于儲(chǔ)煤量巨大，富含礦藏豐富，這場(chǎng)一時(shí)之間無(wú)法撲滅的大火，成為眾多人頭疼癥結(jié)所在，也受到了國(guó)家、政府的高度關(guān)注[2]。硫磺溝，地處新疆南北疆交匯處，距離烏魯木齊約40公里。大自然的鬼斧神工造就了如今硫磺溝的懸崖峭壁、丘陵溝壑，長(zhǎng)期的風(fēng)吹雨打、風(fēng)化剝蝕，又造就了如今的雅丹地貌、石林地貌[3]。硫磺溝的煤田火區(qū)面積184萬(wàn)平方米，每年要燒掉176萬(wàn)噸煤，按照可比價(jià)格計(jì)算，每年要損失1.7億元。如此巨大的損失，加上煤作為不可再生資源，硫磺溝的這場(chǎng)煤田大火，長(zhǎng)期以來(lái)受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注。地理位置和日常氣候條件的不可改變，則成為煤田自燃的主要原因。橫亙整個(gè)新疆地區(qū)的天山，將新疆分割成南疆和北疆兩部分。而天山，被劃分為地質(zhì)活動(dòng)劇烈的地區(qū)，于是，經(jīng)過(guò)多次的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，埋在底層中的水平煤層大多變?yōu)閮A斜煤層。這些暴露在空氣中的煤層，與氧接觸后，產(chǎn)生氧化作用，慢慢積熱開(kāi)始增溫，積累之后，溫度達(dá)到燃點(diǎn)，煤層慢慢自燃，形成煤田火災(zāi)。

2? 高分辨地電阻率法

高分辨地電阻率法與以往直流高密度電法在溫納裝置方面有著明顯的差異性，其采用的是單極-偶極裝置密集測(cè)點(diǎn)，對(duì)孤立異常體有著較高的敏感性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下每一個(gè)分析分辨單元的多次覆蓋，具有體積小、靈敏度高等優(yōu)越性，地下地質(zhì)體形狀、位置能夠直觀形象的展示出來(lái)。與此同時(shí)該方法還具備極強(qiáng)的抗電磁干擾性能，可以有效壓制因地表電性不均勻引起的靜態(tài)偏移問(wèn)題，其施工方法如圖1所示。在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，電位電極在測(cè)線的一端，此時(shí)電流電極為地下供電，可以獲得電流電極電位差。當(dāng)需要測(cè)量下一測(cè)點(diǎn)時(shí)，可以將電位電極移動(dòng)到相應(yīng)位置，電流電機(jī)為地下供電，獲得電位差[6]。上述過(guò)程反復(fù)直至電極移動(dòng)到另一端，此時(shí)能夠獲得完整的二維剖面信息。在參數(shù)設(shè)置方面，一般供電點(diǎn)距為10～20m，最大探測(cè)深度為3～5倍，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距覆蓋2～10m范圍。

3? 煤田火區(qū)空洞勘探工程布置及實(shí)施

3.1 勘探工程設(shè)計(jì)

1999年，國(guó)家成立了硫磺溝煤田滅火工程。自此之后的幾年里，滅火工程隊(duì)的數(shù)百名滅火隊(duì)員一直在與大火抗?fàn)帯Ｔ谌饏^(qū)普查中調(diào)查了硫磺溝煤田具體情況，主要采用了地面磁法、自然電場(chǎng)法實(shí)施探測(cè)。此次勘探工程對(duì)以往考察結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，借鑒以往研究經(jīng)驗(yàn)，采用50m左右線距，與磁法、自然電場(chǎng)法測(cè)線布設(shè)相平行，在此基礎(chǔ)上實(shí)施高分辨地電阻率法。通常，測(cè)線分辨率與點(diǎn)距密切相關(guān)，兩者呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，即點(diǎn)距越小分辨率越大。研究主要從地質(zhì)任務(wù)、工程費(fèi)用以及工作量等多個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行綜合考慮，最終設(shè)置高分辨地電阻率測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為5m，其分辨率≤5m。

3.2 工作量完成情況

野外勘探工作共進(jìn)行了6個(gè)月，完成子獲取勘探測(cè)量任務(wù)17個(gè)，高分辨率地電阻率完成測(cè)線33條。研究所用儀器為WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀（成都明萱電子科技有限公司）。由于測(cè)區(qū)地理?xiàng)l件、地質(zhì)條件等較差，在采用高分辨地電阻率法時(shí)專門處理了供電電機(jī)與無(wú)窮遠(yuǎn)極問(wèn)題。其中無(wú)窮遠(yuǎn)極主要由4～6根電極構(gòu)成，設(shè)置接地電阻為600Ω，在接受電極設(shè)置上應(yīng)注重其接地情況。高分辨地電阻率法能夠多次覆蓋每一分析分辨單元，因此其在數(shù)據(jù)量上已經(jīng)具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可以不用單獨(dú)再進(jìn)行檢查點(diǎn)布置。需要注意的是施工期間仍要加強(qiáng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)存在疑問(wèn)時(shí)要及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)。對(duì)于獲取的跨越供電電極，要由記錄員、跑極員一一進(jìn)行核對(duì)。對(duì)于因地形條件復(fù)雜、測(cè)線接地環(huán)境差等因素引起的電磁干擾問(wèn)題，可以在資料處理及解釋緩解進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，減少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差[3]。

4? 資料處理與解釋

4.1 資料處理

硫磺溝火區(qū)部分地形、地表存在不均勻性，容易受到電磁干擾，針對(duì)這一問(wèn)題，需要通過(guò)資料處理確保勘探的準(zhǔn)確性。由于高分辨地電阻率法能夠?qū)崿F(xiàn)多次覆蓋，其能夠?qū)⒌乇聿痪鶆蛴绊懹枰韵脑撎綔y(cè)方法具體施工方式看，地下每一個(gè)分析分辨單元在單極-偶極裝置下均由不同供電電極實(shí)施供電。針對(duì)地面不同測(cè)點(diǎn)由多個(gè)不同測(cè)量電極進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，能夠?qū)㈦娢划惓Ｖ庇^的反映出來(lái)。當(dāng)遇到地表電性不均勻的情況，無(wú)論采用哪種供電電極，只要保持測(cè)量電極不發(fā)生位移，接收點(diǎn)都會(huì)收到電位異常信號(hào)。從這一點(diǎn)可以看出高分辨地電阻率法采用野外作業(yè)形式，并利用該特點(diǎn)有效區(qū)分火區(qū)空洞異常及地表不均勻問(wèn)題。其在消除地表不均勻性影響時(shí)，主要是對(duì)固定跳躍點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均后△V/I值，其實(shí)際上是舍棄了某一個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)值。多次覆蓋技術(shù)支持下，也可以由其他測(cè)點(diǎn)對(duì)分析分辨單元信息予以展示。然而面對(duì)地表不均勻影響過(guò)大的情況，若將過(guò)多信息舍棄容易導(dǎo)致有用信息喪失，因此，建議對(duì)不均勻性異常予以保留，通過(guò)異常解釋對(duì)地質(zhì)背景資料予以推斷。

4.2 資料解釋

以往研究發(fā)現(xiàn)高分辨地電阻率法與瞬變場(chǎng)法對(duì)于同一地電剖面有著不同的視電阻率，前者視電阻率絕對(duì)值往往較大，引起異常差別較大，但兩者都能夠?qū)Φ叵碌攸c(diǎn)異常基本趨勢(shì)予以準(zhǔn)確的反映，具有一致性。高分辨地電阻率法針對(duì)7火區(qū)15線視電阻率剖面如圖2所示。資料解釋需要參照測(cè)區(qū)地質(zhì)實(shí)際情況。一般情況下，硫磺溝火區(qū)煤層整體較厚，各層煤都存在燃燒，由于每層底板、頂板較為破碎，存在嚴(yán)重地面坍塌現(xiàn)象，因此可以發(fā)現(xiàn)空洞區(qū)多可見(jiàn)冒落現(xiàn)象。對(duì)電阻異常的判斷除依據(jù)電阻率值外，還應(yīng)對(duì)電阻率等值線地形、形態(tài)以及地表電性不均勻程度等進(jìn)行全面評(píng)估與考慮，并注意觀測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題。受火區(qū)空洞與松散冒落區(qū)電性差異不明顯的影響，煤層由增溫到燃燒期間發(fā)生的電阻率變化也難以明確。基于上述現(xiàn)象，可以在異常圈定中將高阻區(qū)劃為坍陷區(qū)、空洞區(qū)，低阻劃為高溫區(qū)，其中也包括燃燒區(qū)。

4.3 鉆孔驗(yàn)證

鉆孔驗(yàn)證一是為了解譯，盡管已經(jīng)針對(duì)高分辨地電阻率法進(jìn)行有效性前提性驗(yàn)證，但由于硫磺溝18個(gè)火區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，存在不同程度干擾現(xiàn)象，在不同施工條件下，地區(qū)試驗(yàn)結(jié)果也呈現(xiàn)出明顯的差異性，其不能夠代表整個(gè)火區(qū)情況，因此需要通過(guò)推斷獲得地質(zhì)成果。在解釋處理時(shí)應(yīng)大量搜集地質(zhì)資料，將其與電性異常結(jié)合考慮，用于判斷、衡量的主要依據(jù)。鉆孔驗(yàn)證能夠幫助了解哪些判斷是錯(cuò)誤的、哪些與地下火區(qū)空洞吻合，與此同時(shí)還能夠有效評(píng)估地質(zhì)成果可信度、野外資料可靠程度等。

4.4 成果分析

通過(guò)高分辨地電阻率法獲得了新疆硫磺溝火區(qū)不同圖件，分別為各個(gè)火區(qū)視電阻率等值線剖面1：1000比例圖、地質(zhì)異常物探異常列表解釋，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)空塌區(qū)面積小、高溫區(qū)面積大，前者是導(dǎo)致煤層自然的主要因素，應(yīng)注意避開(kāi)空塌區(qū)及埋深較淺的高溫區(qū)，保障施工安全。

5? 結(jié)束語(yǔ)

高分辨地電阻率法在煤田火區(qū)空洞勘探中的運(yùn)用，反映出當(dāng)前硫磺溝火區(qū)煤層自然、塌陷較為嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)治理，在今后煤田獲取空洞勘探工作中，要在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上有針對(duì)性有重點(diǎn)的布置工作量，提高施工安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅傳華，昌彥君，郭寧寧，等.高分辨電阻率法在云南巖溶地區(qū)地下水勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，11（3）：402-405.

[2]麻昌英，柳建新，郭榮文，等.耦合有限單元法擴(kuò)邊的直流電阻率勘探無(wú)單元Galerkin法正演[J].地球物理學(xué)報(bào)，2018，61（6）：2578-2588.

[3]楊庭偉，張力，盧超波，等.基于高分辨直流電法的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)異常探測(cè)研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2018，32（1）：131-137.