三維改進(jìn)并行電法福建小煤礦底板富水區(qū)探測(cè)

邱占林 曾東富 郭玉森

（1.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建紫金銅業(yè)有限公司，福建 龍巖 364204）

1 改進(jìn)并行電法三維探測(cè)技術(shù)

1.1 改進(jìn)并行電法的基本原理

改進(jìn)并行電法是常規(guī)直流電阻率法的一種，是繼高密度電阻率法集電剖面與電測(cè)深為一體的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新一代電法勘探技術(shù)。該技術(shù)是主要基于陣列式、擬震式思想開(kāi)發(fā)的電法技術(shù)，具有多裝置、多極距的高密度組合功能，同時(shí)還具有多次覆蓋疊加的快速、同步數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢(shì)，具有能夠探測(cè)鉆孔外圍一定范圍的能力，最大側(cè)向探測(cè)距離為電極控制段的長(zhǎng)度。由于采用并行電法勘探技術(shù)，其數(shù)據(jù)采集具有同時(shí)性和實(shí)時(shí)性，可得到供電時(shí)測(cè)線上的各電極點(diǎn)全部電位曲線，使得改進(jìn)并行電法圖像更趨于真實(shí)合理，仿真效果更好，從而大大提升了視電阻率的縱、橫向時(shí)間分辨率。

根據(jù)分布式電極觀測(cè)裝置的不同，改進(jìn)并行電法數(shù)據(jù)采集方式可分為兩種：AM法（單點(diǎn)電源場(chǎng)）和ABM法（雙點(diǎn)電源場(chǎng)）[1-4]（圖1）。利用改進(jìn)并行電法儀所采集的原始數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)高密度電阻率法和高分辨地電阻率法物探解譯，也可以進(jìn)行2D或3D電阻率反演成像解釋。同時(shí)，改進(jìn)并行電法勘探系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)屬于全電場(chǎng)空間的電位值，其同步性電位測(cè)量，有效避免了因時(shí)間差引起的數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題。

圖1 改進(jìn)并行電法采集方式及電位變化情況

1.2 三維探測(cè)的技術(shù)原理

三維探測(cè)技術(shù)是基于改進(jìn)并行電法的3D反演并進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)的一種新勘探技術(shù)，其實(shí)質(zhì)在于3D電阻率層析（CT）全空間成像技術(shù)。觀測(cè)系統(tǒng)一般布置于兩條巷道中，形成空間展布范圍廣的3D透視掃描CT系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)底板富水區(qū)探測(cè)的目的，將測(cè)線系統(tǒng)分別布置在工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷中，切眼巷道因其距離較短而不布置電極，工作站的布設(shè)一般根據(jù)探測(cè)距離的長(zhǎng)短而定。具體布置方法為充分利用工作面兩條巷道，如在運(yùn)輸巷中布置供電—測(cè)量系統(tǒng)，在回風(fēng)巷中布設(shè)無(wú)窮遠(yuǎn)供電B極。當(dāng)運(yùn)用改進(jìn)并行電法儀進(jìn)行電位變化情況數(shù)據(jù)采集時(shí)，運(yùn)輸巷中各供電電極A與回風(fēng)巷中對(duì)應(yīng)無(wú)窮遠(yuǎn)極B形成觀測(cè)地電場(chǎng)，電極A（1#～64#）逐點(diǎn)供電依次掃描，形成類似于無(wú)線電波透視掃描的扇形觀測(cè)區(qū)，其他電極通過(guò)程控實(shí)現(xiàn)電位值的實(shí)時(shí)、同步測(cè)量，實(shí)現(xiàn)雙巷空間的全電場(chǎng)3D透視效果。當(dāng)采集結(jié)束時(shí)，將系統(tǒng)和無(wú)窮遠(yuǎn)極在兩條巷道中對(duì)調(diào)，再次實(shí)施采樣，可獲取海量地電場(chǎng)參數(shù)，達(dá)到對(duì)底板及以下區(qū)域的多次覆蓋測(cè)量，有利于異常值的檢驗(yàn)和剔除，大大提高了3D電法的探測(cè)精度。若探測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，每條巷道可布置多工作站測(cè)線系統(tǒng)，其編號(hào)規(guī)定為巷道號(hào)—工作站號(hào)，即測(cè)線（i-j）。現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)，前工作站最后一個(gè)電極與后工作站第一個(gè)電極位置重合，并依次移動(dòng)另一巷道中的無(wú)窮遠(yuǎn)B（i-j）極（圖2）。

圖2 改進(jìn)并行電法三維探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置

數(shù)據(jù)反演處理時(shí)，將其電極坐標(biāo)統(tǒng)一規(guī)定在井下坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，并對(duì)各站地電數(shù)據(jù)進(jìn)行有效拼接，聯(lián)合進(jìn)行雙巷全空間3D全空間視電阻率CT成像反演，其3D模型反演及求解修改量Δm如下式所示：

式中：

G-Jacobi雅克比矩陣；

λ-阻尼因子；

Δd-觀測(cè)參數(shù)值d與正演理論值d0的殘差向量；

Δm-3D初始模型m的修正向量；

C-3D模型光滑矩陣。

3D反演一般流程為：首先將其模型剖分成3D網(wǎng)格，其寬度一般為0.5～1個(gè)電極距，然后求取所劃分網(wǎng)格單元內(nèi)用于反演的電導(dǎo)率值參數(shù)。3D反演的觀測(cè)數(shù)據(jù)是全空間電場(chǎng)背景下所測(cè)量的單極-單極電位值參數(shù)或單極-偶極電位差值參數(shù)。且因其變化范圍較大，通常選取對(duì)數(shù)來(lái)表示反演數(shù)據(jù)及3D模型參數(shù)，用于改善反演的可靠性和穩(wěn)定性。將3D地電數(shù)據(jù)體進(jìn)行水平切面及垂直剖面綜合提取，可得到采煤工作面內(nèi)及底板下不同深度的視電阻率值分異情況，形成直觀的視電阻率三維探測(cè)成果圖。結(jié)合已有的基礎(chǔ)地質(zhì)及物探資料，可綜合分析該工作面內(nèi)及底板下不同標(biāo)高范圍內(nèi)的富水區(qū)（性）情況，從而實(shí)現(xiàn)雙巷改進(jìn)并行電法3D全空間探測(cè)。

1.3 三維探測(cè)的物性基礎(chǔ)

由于待測(cè)區(qū)域內(nèi)地層層序清楚，層位穩(wěn)定，其橫向、縱向上均表現(xiàn)出一定的電性變化規(guī)律。運(yùn)用改進(jìn)并行電法可3D探測(cè)采煤工作面橫向上的低阻含水、導(dǎo)水構(gòu)造及富水區(qū)（性）分布規(guī)律，同時(shí)也可探測(cè)縱向上不同深度的地質(zhì)構(gòu)造、富水及其導(dǎo)通問(wèn)題。當(dāng)采煤工作面內(nèi)及底板下巖層中存在斷層等構(gòu)造變形時(shí)，其電阻率值通常會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化；當(dāng)存在富水區(qū)時(shí)，該區(qū)域與周圍巖層存在顯著的電性結(jié)構(gòu)差異，一般呈現(xiàn)出低電阻率值。兩者均將打破巖層電性結(jié)構(gòu)在橫向與縱向上的原有規(guī)律。這種變化特征的存在，為以電性差異為應(yīng)用地球物理基礎(chǔ)的改進(jìn)并行電法3D探測(cè)的實(shí)施提供了良好的物探前提[1]。

2 三維探測(cè)實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概述

福建小井尖煤礦處在閩西南聚煤區(qū)中部含煤條帶，二疊系中統(tǒng)童子巖組（P2t）是主要煤系地層[5]。該礦主采38、39號(hào)煤層，28、29號(hào)煤層局部可采，年產(chǎn)量9萬(wàn)t/a，屬于福建省小煤礦規(guī)模。首采面為+620-38號(hào)采煤工作面，水文地質(zhì)條件屬中等類型，主要充水水源為38號(hào)煤層頂板砂巖裂隙水及棲霞組（P2q）底板灰?guī)r水。38煤層底板至棲霞灰?guī)r間距正常情況下為35.4～55.1m，平均間距為38.7m。其頂板砂巖裂隙水，是采掘巷道直接充水水源，主要通過(guò)斷層、裂隙等通道以淋水或滴水的方式向巷道排泄。該工作面發(fā)育F2逆斷層，導(dǎo)水性弱，一般不會(huì)給正常的生產(chǎn)帶來(lái)水害威脅，而F4正斷層（產(chǎn)狀：258°∠43°，垂直斷距H=0～40m），局部與底板砂巖裂隙或棲霞灰?guī)r溶隙導(dǎo)通，導(dǎo)水性較強(qiáng)，是需要防范的區(qū)域。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)布置及數(shù)據(jù)采集

為了探測(cè)該煤礦+620-38號(hào)采煤工作面的底板富水區(qū)情況，在礦方地質(zhì)部門的配合下，采用改進(jìn)并行電法探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面兩側(cè)巷道底板及以下范圍內(nèi)的巖層視電阻率分布特征進(jìn)行3D全空間探測(cè)。井下數(shù)據(jù)采集坐標(biāo)系選取以運(yùn)輸巷F2斷層位置為平面直角坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），沿該巷指向F4斷層點(diǎn)（437，0）方向?yàn)閄軸正向，則垂直回風(fēng)巷方向?yàn)閅軸正向。現(xiàn)場(chǎng)直接在雙巷底板依次布置電極和電法測(cè)線，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷各布置4站，其中第一站、第二站、第七站、第八站為運(yùn)輸巷探測(cè)工作站；第三站、第四站、第五站、第六站為回風(fēng)巷探測(cè)工作站（圖2）。每巷均布設(shè)64個(gè)電極，極距為5m，切眼巷道不布設(shè)，每站測(cè)線長(zhǎng)度為315m。數(shù)據(jù)采集采用NPEI-DHZI-1改進(jìn)并行電法勘探系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的采集方式為AM法，每站輪流選用0.5s和2.0s恒流供電方波采集數(shù)據(jù)一次，并進(jìn)行了全部復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果基本相同，從而保證了電阻率數(shù)據(jù)采集的可靠性。

2.3 數(shù)據(jù)處理

（1）選取全空間數(shù)據(jù)類型，深度轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.5，二次場(chǎng)延遲時(shí)間范圍為0～100ms等控制性參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)所存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)采取AM裝置形式進(jìn)行不同功能模塊的預(yù)處理。

（2）本次處理的電極坐標(biāo)采用（X，Y，Z）形式，規(guī)定F2斷層點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，切眼指向運(yùn)輸巷為X正方向，沿著切眼巷道為Y正方向，Z坐標(biāo)值取0。

（3）在預(yù)處理參數(shù)輸入后進(jìn)行整周期各電極的電流-電壓轉(zhuǎn)換，通常采用其均值或方差值，本次處理采取均值替代二次場(chǎng)參數(shù)。

（4）由此獲得穩(wěn)定電流值I與電位值V后進(jìn)行畸變異常值剔除，結(jié)合背景值分析，明顯不符合規(guī)律的畸變值一般是由供電—測(cè)量電極藕合條件的改變或井下金屬器具、游散電場(chǎng)等干擾所引起。

（5）利用傳統(tǒng)直流電法視電阻率計(jì)算公式可進(jìn)行視電阻率值模塊計(jì)算，但為了進(jìn)一步獲得真實(shí)、有效、可靠的電阻率值，則需要對(duì)預(yù)先處理的視電阻率進(jìn)行二次解編、插值，多余地電信息校正與光滑約束處理，全空間電場(chǎng)3D反演，進(jìn)而得到逼近真電阻率值的反演模型結(jié)果。

（6）從模型結(jié)果中提取3D地電數(shù)據(jù)體，進(jìn)行視電阻率水平切面和垂直剖面成圖，并選surfer和illustrator軟件進(jìn)行輔助成圖[5]。

2.4 探測(cè)結(jié)果分析

對(duì)工作面兩側(cè)雙巷采集的數(shù)據(jù)采用全空間三維電阻率反演CT成像技術(shù)，利用全空間3D層狀模型，可有效反映工作面底板下不同深度的巖層電性分布及變化規(guī)律，可直觀反映探測(cè)區(qū)域的相對(duì)低阻區(qū)總體連通情況，主要通過(guò)形成工作面底板不同深度的視電阻率異常區(qū)水平切片的空間總體分布來(lái)表示。結(jié)合工程揭露的煤巖層、地質(zhì)構(gòu)造條件以及巷道底板積水情況，對(duì)該工作面兩側(cè)巷道之間底板富水區(qū)分布及連通性進(jìn)行綜合分析。但工作面底板下不同層位的相對(duì)低阻異常區(qū)的電阻率閾值因不同巖性地層而異，因而只能通過(guò)同一層位中電阻率值的相對(duì)大小來(lái)劃分，電阻率值明顯減小的區(qū)域則為相對(duì)富水區(qū)。據(jù)此可知，該工作面探測(cè)區(qū)域的底板下90m范圍內(nèi)存在6個(gè)低阻異常區(qū)域，其電阻率值均在20Ω·m以下，分別定義為DZ1～DZ6改進(jìn)并行電法低阻異常區(qū)（圖3），分述如下：

（1）DZ1低阻區(qū)：靠近回風(fēng)巷，位于X=1040～1180m，Y=120～168m之間，大小形態(tài)比較穩(wěn)定，發(fā)育較深，沿工作面底板向下延伸超過(guò)55m，進(jìn)入灰?guī)r地層，可能與棲霞灰?guī)r水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系，為重點(diǎn)防范區(qū)域之一。

（2）DZ2低阻區(qū)：靠近回風(fēng)巷，位于X=740～810m，Y=140～180m之間，上小下大發(fā)育，電阻率值較穩(wěn)定，朝工作面底板下延伸達(dá)40m，在棲霞灰?guī)r頂界面處消失，未進(jìn)入灰?guī)r地層。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

（3）DZ3低阻區(qū)：靠近回風(fēng)巷，位于X=365～415m，Y=150～180m之間，透鏡狀發(fā)育，電阻率值變化不大，底板負(fù)法向延伸深度為40m。與DZ2相似，在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

（4）DZ4低阻區(qū)：靠近運(yùn)輸巷，位于X=620～708m，Y=0～36m之間，大小形態(tài)比較穩(wěn)定，電阻率值呈現(xiàn)由上而下升高的趨勢(shì)，朝底板負(fù)法向延伸不超過(guò)40m，未進(jìn)入棲霞灰?guī)r地層。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。但在Z=-10～ -20m處，低阻值范圍沿X方向展布變大，與F4斷層局部導(dǎo)水有關(guān)，需要引起注意。

（5）DZ5低阻區(qū)：靠近運(yùn)輸巷，位于X=440～600m，Y=0～40m之間，橫向展布范圍較大，低阻異常區(qū)向下逐漸變小甚至尖滅，朝工作面底板下方延伸也不超過(guò)40m。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。但與DZ4類似，受F4斷層影響，在中部出現(xiàn)低阻區(qū)范圍變大的情況，需要注意防范。

（6）DZ6低阻區(qū)：靠近運(yùn)輸巷，位于X=305～365m，Y=0～60m之間，形態(tài)略微有變化，電阻率值由小變大再變小，沿底板下方延伸深度不超過(guò)40m。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

2.5 探查驗(yàn)證

根據(jù)綜合分析結(jié)果，礦方有針對(duì)性地實(shí)施探放水鉆孔。其中低阻異常區(qū)DZ1處的鉆孔ZK1，孔深56.7m，其出水量隨著鉆進(jìn)深度的增加而增大，由 10.43m3/h（Z=-25m） 上 升 至 23.67m3/h（Z=-55m），據(jù)此說(shuō)明了該異常區(qū)富水性強(qiáng)，受棲霞灰?guī)r水的影響大；ZK2孔深45m，施工至-30m時(shí)，鉆孔出水量陡然增大到19.72m3/h，且鉆孔巖心出現(xiàn)擦痕等斷層證據(jù)，由此表明DZ4、DZ5受控于導(dǎo)水?dāng)鄬覨4，其富水性強(qiáng)。后續(xù)施工的輔助性驗(yàn)證鉆孔ZK3、ZK4，分別對(duì)應(yīng)于DZ4、DZ5，進(jìn)一步證明DZ4、DZ5是F4正斷層發(fā)育且導(dǎo)水所致。總體上，與探測(cè)分析結(jié)果較為吻合。

圖3 工作面底板不同深度三維探測(cè)異常區(qū)總體分布情況

3 結(jié)論

（1）改進(jìn)并行電法三維探測(cè)技術(shù)是通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)及3D電阻率反演CT成像而建立的一種全空間3D觀測(cè)技術(shù)，對(duì)礦井底板法向深度范圍內(nèi)相對(duì)低阻異常體具有良好的響應(yīng)，為工作面水害防治提供適用性強(qiáng)的物探手段。

（2）探測(cè)應(yīng)用實(shí)例證明該三維探測(cè)技術(shù)能有效獲取工作面底板電性變化深度剖面，能較直觀地反映相對(duì)低阻異常區(qū)的總體連通情況，實(shí)現(xiàn)富水區(qū)的3D全空間圈定，與工程鉆探驗(yàn)證結(jié)果較為一致，對(duì)疏水減壓探放水鉆孔與注漿加固施工起到較好的指導(dǎo)作用。

（3）福建小煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，低電阻率值的高變質(zhì)無(wú)煙煤對(duì)低阻含水異常體具有一定的干擾，需要聯(lián)合多種物探技術(shù)，補(bǔ)充對(duì)比驗(yàn)證，方可達(dá)到較為理想的地質(zhì)探測(cè)效果。電阻率值與巖層富水性之間的定量關(guān)系研究及3D反演過(guò)程中冗余構(gòu)造信息的有效利用，均需要進(jìn)一步探討。